乳腺癌，是最常见的女性恶性肿瘤。全球112个国家，乳腺癌是主要癌症死因之一。

根据世界卫生组织（WHO）国际癌症研究机构今年4月4日在《临床医师癌症杂志》（CA：A Cancer Journal for Clinicians）发布的最新癌症数据报告显示，2022年，全球新发癌症病例为1996万，其中乳腺癌的发病率居第二位。

面对如此凶险的“敌人”，科学家从未放弃对疾病和新疗法的探索。已经有利用来自乳腺腺体或肿瘤的类器官来研究乳腺癌，但目前仍缺乏研究乳腺组织发育的有效模型。类器官技术的出现，让体外“复刻”器官复杂性成为可能，乳腺疾病的研究似乎有了新的转机。

近日，科学家们首次从小鼠胚胎干细胞中培育出可以分泌乳汁的乳腺类器官结构。这一突破性研究成果[1]被发表在《Developmental Cell》（影响因子IF=11.80）杂志上，为研究乳腺发育起源和乳腺癌等复杂疾病提供了新线索。

美国国家癌症研究所的癌症遗传学家、研究作者Shyam Sharan表示，“如果你想研究乳腺的胚胎发育，可以使用这个系统。”这个创新的乳腺类器官（MEMOs）模型将成为研究乳腺谱系发育的强大工具，用于研究外胚层附属器官的发育，并为再生医学和乳腺癌等疾病模型提供了坚实的基础。

胚胎干细胞培育出

可分泌乳汁的乳腺类器官

乳腺（mammary gland，MG）来源于外胚层，是哺乳动物特有的皮脂腺。

不仅在生物学上具有重要意义，也与女性健康息息相关。然而，由于乳腺的复杂性和发育过程中的多变性，科学家们一直在探索更有效的方法来研究这一器官。

外胚层附属物的变异源于共同的胚胎起源，推动了生物多样性并支撑了不同的生物学功能。了解控制这种多样性的分子机制对再生医学和癌症治疗至关重要。

△ 不同外胚层附属物的发展概述，通过非神经表面外胚层（SE）与下方间充质（MES）的相互作用。

小鼠胚胎干细胞（mouse embryonic stem cells，mESCs）自组织成复杂功能组织的内在能力为解剖这些机制提供了独特的途径。科学家们已经利用ESCs培养出包括皮肤下毛囊、内耳、牙齿、泪腺和唾液腺在内的外胚层衍生物3D类器官系统，然而如何产生乳腺谱系仍具有挑战性。

来自美国国家癌症研究所的博士后研究员Sounak Sahu及其团队利用一种创新的研究方法“CUSTOM”（Curating Stem Cells to Generate Organoids of Mammary ineage，定制干细胞生成乳腺谱系类器官）成功地从小鼠胚胎干细胞中培育出新型的乳腺类器官（MEMOs）。

△ 该研究论文的图形摘要。

美国国家癌症研究所的癌症遗传学家、研究作者Shyam Sharan表示，“当我们使用胚胎干细胞时，它们会经历与胚胎发生期间相同的程序化细胞分化过程”。

由于毛囊和乳腺都是具有发育相似性的皮肤的附属物，研究人员使用了一个产生毛囊的皮肤类器官系统作为试验起点。首先，由特定生长因子的混合物将mESC定向分化为皮肤类器官，将这个皮肤类器官置于有助于胚胎中乳腺腺体发育的化学混合物Matrigel中，通过依次激活骨形态发生蛋白4（BMP4）和甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP），同时抑制Hedgehog信号传导，来模拟乳腺发育过程中的自然信号环境，诱导真皮间充质转化为乳腺特异性间充质。这种调控策略促进了mESC向乳腺细胞谱系的分化。

通过上述方法，小鼠胚胎干细胞被定向分化并自组装形成了具有乳腺特异性的类器官，这些类器官包含多种乳腺特有的细胞类型（包括上皮细胞、成纤维细胞和脂肪细胞）。

为了深入理解乳腺类器官中的细胞异质性和发育轨迹，研究者使用了单细胞RNA测序技术（scRNA-seq）来分析类器官中的细胞群体，确认了这些细胞特异性地属于乳腺谱系，并发现这些细胞具有孕激素的受体，这是乳腺腺体的特征。这一步骤揭示了乳腺特异性细胞的存在，并提供了细胞命运承诺和发育轨迹的详细信息。

△ 利用小鼠胚胎干细胞衍生乳腺类器官的30天分化协议示意图，研究人员从零开始开发了这一协议。

研究作者Shyam Sharan表示，实验初期他们并不知道该怎么做，给何种浓度给予哪种信号。“我们找到的任何标记都会在其他一些细胞中表达。那么，我们怎么知道我们正朝着正确的方向前进呢？”

由于缺乏独特的标记来确认细胞的乳腺谱系，进一步增加了实验的复杂性。为了解决所有疑虑，他们设计了一个实验，用负责哺乳的激素催乳素处理类器官，随后发现类器官分泌了乳汁蛋白——这是mESC衍生的乳腺类器官的首次记录，证实了这些类器官具有类器官成熟乳腺的功能。

△ 多能干细胞自组织生成多谱系ESC来源的乳腺类器官（MEMO)。

最后，通过将MEMOs移植到小鼠体内（即清除了原生组织的裸鼠乳腺脂肪垫），这些类器官能够在体内重建完整的乳腺腺体结构。

△ 内源性乳腺脂肪垫清除后，将乳腺类器官移植到3周龄胸腺裸鼠体内。

此外，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究者创建了LEF1和TBX3基因功能缺失的mESCs，并通过这些细胞生成的MEMOs来研究这些基因在乳腺发育中的作用。

创新乳腺类器官模型

开辟疾病建模新思路

这项研究为研究乳腺发育过程，乳腺癌疾病模型提供了前所未有的新机遇。

创新使用的“CUSTOM”方法，通过精确调控生长因子的顺序和时间，模拟了乳腺发育的自然过程，这种调控策略促进了小鼠胚胎干细胞向乳腺细胞谱系的分化，最终实现了乳腺类器官（MEMOs）的稳定发育。这种多谱系的类器官为研究乳腺的复杂结构和功能提供了一个更加全面的模型。

试验不仅在体外验证了乳腺类器官细胞的组成和形态的发生，而且在体内通过移植实验证明了这些类器官能够重建完整的乳腺结构。这种功能性验证为类器官的临床应用提供了重要前提。其中采用的CRISPR-Cas9基因编辑技术和单细胞RNA测序（scRNA-seq）等先进技术，对揭示乳腺相关疾病的分子机制，深入理解乳腺发育的细胞基础和可能的细胞状态转换提供了新视角。

△ scRNA-seq对30日龄皮肤类器官和乳腺类器官分离细胞的分析概述。

除此之外，该研究不仅增进了对乳腺发育生物学的理解，还为乳腺相关疾病的研究和治疗提供了新工具。由于这些乳腺类器官能够在体内重建乳腺结构，未来或将有助于开发新的再生医学策略，用于治疗乳腺癌等乳腺相关疾病。

MEMOs作为一种新型的实验模型，是研究外胚层附属物发育的可靠工具，有望在药物筛选、疾病模拟和再生医学策略的开发中发挥重要作用。

不断精进的类器官模型

拓展再生医学研究新视角

体外培养类器官的想法和尝试由来已久，这一目标在2009年发生了重要的突破。

荷兰的科学家Hans Clevers博士是肠道干细胞生物学的先驱，作为第一个发现干细胞特异性标记物 (Lgr5) 的人，他的实验室用它来分离能够再生肠、结肠和其他器官的肠道干细胞。

2009年，Hans Clevers及其团队首次在实验室衍生出“肠道类器官”，相关研究结果被发表在《Nature》杂志，展示了人类肠道干细胞可用于产生小肠、胃和肝脏作为可移植的类器官。他的工作对从器官功能到癌症的广泛生物学问题产生了深远的影响。

2017年，Clevers教授研究组完成了规模宏大的乳腺癌类器官项目，建立全球首个乳腺癌类器官库。这个项目标志着类器官技术在癌症研究领域的重大突破。

乳腺癌类器官库的建立，使得研究者能够对乳腺癌进行深入的组织病理学、基因表达、基因测序及药物敏感活性研究。这些研究对于理解乳腺癌的异质性、发展新的治疗方法，尤其是精准医疗，具有重要意义。例如，通过类器官模型，研究者能够发现乳腺癌患者对特定药物的敏感性，从而为患者提供更为个性化的治疗方案。

△ 来自人类患者的乳腺癌类器官。乳腺癌细胞用紫色标记，DNA用蓝色标记，细胞骨架蛋白用黄色标记。

此外，乳腺癌类器官的成功建立为研究乳腺癌的发生发展机制提供了一种新的、有前景的模型。这些模型不仅有助于发现与药物敏感性相关的遗传变化，还能用于探索肿瘤的分子特征和信号通路，为乳腺癌的精准治疗提供了新的思路和工具。

总的来说，乳腺癌类器官库的建立是癌症研究中的一个重要里程碑，它为研究者提供了一个强大的新工具，有助于更深入地理解乳腺癌，并最终改善患者的治疗效果。类器官在提供肿瘤精准治疗和个性化治疗方面将发挥更多潜力，点亮肿瘤患者及其家庭更多生命之光。

参考资料：

[1] Sahu, S et.al, Spatiotemporal modulation of growth factors directs the generation of multilineage mouse embryonic stem cell-derived mammary organoids. Dev Cell. 2024;59(2):175-186.e8.DOI：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.12.003