尽管大规模临床试验已经推动了标准化药物方案的优化，并显著提高了癌症患者的整体预后，但肿瘤的遗传多样性给实施个体化治疗策略带来了挑战。癌症基因组学的进步揭示了特定基因缺陷与靶向药物之间的联系，然而，由于药物在肿瘤组织中的分布和代谢存在差异，以及肿瘤微环境的影响，精准预测患者对药物的反应仍然充满困难。

传统的药物筛选模型，如基于癌细胞系和患者衍生的异种移植模型，虽然为药物研究提供了一定基础，但由于其临床转化效率低下或筛选通量有限，这些模型在高通量药物筛选中的应用受到了限制。相比之下，类器官（PDO）技术因其能够长期培养并保留原始肿瘤的分子和组织特性，被视为研究药物反应的新工具。然而，现有筛选体系缺乏对正常和癌前组织PDO的对比分析，限制了其在发现具有高癌症特异性的药物方面的潜力。

为此，本研究选取正常人结肠和结直肠癌PDO为研究对象，旨在探究表观遗传变化对药物治疗效果的影响，识别新的癌症特异性治疗靶点，并对PDO在精准肿瘤学中的应用潜力作出评估，以期为肿瘤的个性化治疗提供新思路。

2.1 类器官高通量筛选（HTS）平台的构建

研究团队通过对类器官培养技术的优化，成功开发出一种高效的高通量筛选（HTS）平台，该平台能够在悬浮培养以及旋转容器培养的条件下有效扩增结直肠类器官。

通过使用GFP标记和流式细胞术优化单细胞分选，该平台可以确保类器官种植的均匀性和数据的可重复性。

△ HTS平台的工作示意以及代表性性能检测结果

2.2 结直肠类器官对药物的总体反应

研究团队建立20例结直肠癌PDO和6例正常结肠PDO，基于含有56种药物的药物库，对总计1438个药物-类器官组合进行了筛选。

研究结果显示，正常结肠PDO对药物的反应呈现出相对一致的特点；而相比之下，结直肠癌PDO在药物反应上则表现出差异性。值得注意的是，尽管结直肠癌PDO对药物的整体反应纷繁复杂，但当这些药物靶向相同的信号通路时，PDO却呈现出类似的反应模式。

这提示，该平台不仅能够捕捉到结直肠癌PDO对药物的多样化反应，还能提供可靠的数据支持药物筛选和个性化治疗策略开发。

△ 正常和结直肠癌PDO的药物反应概述

2.3 遗传突变与药物反应的关联

为探讨结直肠癌PDO中药物反应与遗传突变之间的关联。随后，研究团队分析了基因突变和药物敏感性数据，发现了多个显著的“基因-药物”配对，如RTK/MAPK突变型类器官对EGFR抑制剂表现出耐药性。

另外，研究团队也发现，去除无RTK/MAPK突变的类器官培养基中的生长因子能增强药物与基因突变间的相关性，从而提高预测精度。这提示，优化后的HTS平台具备发现新型基因-药物关联的可能性。

△ 结直肠癌类器官中基因决定的药物敏感性

2.4  BET溴结构域蛋白抑制剂的癌症特异性

BET蛋白（如BRD4）通过结合超级增强子调控基因表达，是癌症中异常转录活动的重要驱动因素。研究团队通过HTS平台，验证了JQ1（BET抑制剂）是否能够以癌症特异性的方式抑制结直肠癌PDO生长。

结果显示，JQ1特异性地抑制了癌症生长，且这种特异性与驱动基因突变无关。进一步的转录组层面分析结果显示，JQ1是通过靶向超级增强子及其调控的依赖性基因，特异性地抑制结直肠癌PDO的生长。

△ JQ1选择性的抑制癌症生长

2.5  表观遗传与药物敏感性的关系

为探究表观遗传改变在癌症药物敏感性的作用。研究团队首先根据DNA甲基化水平将结直肠癌PDO分为高水平CpG岛甲基化（CIMP+）和低水平CpG岛甲基化（CIMP−）两种表型，紫杉醇敏感性测试结果显示，CIMP+比CIMP−对紫杉醇更敏感，且这种差异主要由CpG岛甲基化水平驱动。进一步发现CHFR基因的沉默是CIMP+类器官对紫杉醇敏感的关键原因。

△ 紫杉醇对CIMP+ CRC选择性抑制

2.6  体内外药物反应的对比分析

为评估HTS平台预测体内药物反应的准确性。该研究验证了EGFR抑制剂cetuximab在体外和体内实验中的一致性，并进一步使用白蛋白结合型紫杉醇验证CIMP+与紫杉醇敏感性的相关性。

结果显示，与CIMP−类器官相比，CIMP+类器官的异种移植肿瘤对nab-paclitaxel更敏感，肿瘤体积缩小更为显著，且诱导产生了更高水平的细胞凋亡。

△ PDO药物反应的体内验证结果

研究团队通过搭建的HTS平台探究了药物反应与表观遗传改变的关联，并在小鼠体内验证了其在预测结直肠癌药物反应中的有效性。与此同时，该研究借助HTS平台，成功发现BET抑制剂JQ1对结肠癌PDO生长的特异性抑制作用。总体而言，该研究强调了基因和表观遗传信息在药物筛选和癌症治疗中的关键作用，为个性化医疗和新药开发奠定了基础。

● 高通量药物筛选平台的优化与验证：研究团队开发并优化HTS平台，成功评估了结肠癌PDO对多种药物的反应。并通过体内外实验的比较，验证该平台在预测药物敏感性方面的可靠性。

● 表观遗传标志物与药物敏感性的关联：研究团队借助HTS平台发现CpG岛高甲基化程度与结肠癌PDO对紫杉醇敏感性的关联，揭示表观遗传改变在药物反应中的关键作用。

● BET溴结构域抑制剂的癌症特异性作用：研究表明，JQ1可以通过靶向超级增强子，特异性地抑制结肠癌PDO的生长，强调转录调控在癌症治疗中的潜力。

参考文献：

Toshimitsu K, Takano A, Fujii M, et al. Organoid screening reveals epigenetic vulnerabilities in human colorectal cancer. Nat Chem Biol. 2022;18(6):605-614. doi:10.1038/s41589-022-00984-x. PMID: 35273398.