“

如何在体外模拟癌症发生发展的过程，现有的培养模型或都稍显不足。科学家们开发了一套全新的系统，培养出能在体外进行肿瘤发生的“迷你结肠”类器官。相关研究成果[1]已发表在最新的《Nature》（影响因子IF=64.8）期刊上。利用该系统，这个“迷你结肠”类器官可以在不破坏培养物的情况下以单细胞分辨率实时跟踪新出现的结肠肿瘤长达数周，并呈现出丰富的肿瘤内和肿瘤间多样性，概括了体内肿瘤显示的关键病理生理学特征。该试验为深入研究体外癌症铺平了道路，有望为结直肠癌患者精准医疗带来变革。

癌症的发生是由于遗传突变的积累，这些突变赋予了癌细胞无限生长的潜能。

过去几十年里，科学家开发出二维和三维的体外培养模型以简化癌症研究。随着三维类器官培养技术的发展，尤其是肿瘤类器官技术通过允许对肿瘤和微环境结构进行更逼真的复制和扩展，彻底颠覆了传统的癌症研究。这使得在相对较短的时间内发生的低复杂性癌细胞行为能更好地建模。

然而，从健康到癌变的细胞转变是一个复杂的进化过程，现有的体外细胞模型和类器官模型对于体外模拟癌症发展来说过于简化，对于涉及多种细胞类型和组织水平组织的更复杂过程进行建模仍是艰难挑战，癌症研究仍不可避免地需要依赖动物实验。同时，对动物模型进行高分辨率实时观测的难度更大，且研究成本和伦理问题亦备受挑战。

因此，如何突破现有癌症研究桎梏成为科学家持续寻求答案的新课题。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Matthias P. Lutolf团队在Nature上发表了最新研究成果。研究人员开发了一套全新系统，通过整合微制造、光遗传学和组织工程学方法，培养出能够在体外进行肿瘤发生的“迷你结肠”（mini-colons）。利用该项系统，他们可在单细胞分辨率水平，直接通过光控制，实现对肿瘤生成的长达数周的追踪。

经过诱导产生的“迷你结肠”类器官呈现出丰富的肿瘤内和肿瘤间多样性，且重塑了体内结直肠癌的关键病理特征。该研究有助于识别致癌因子及其环境决定因素，帮助指定对应的药理学方法，这项创新性工作为在生物体外进行癌症发生的研究铺平了道路。

“迷你结肠”类器官

在时空分辨率下研究癌症发生

结直肠癌（Colorectal Cancer，CRC）是全世界范围内发病率第三的癌症，全球每年新增发病人数近200万，仅次于乳腺癌和肺癌，每年导致的死亡人数接近100万。结直肠癌也是我国常见的恶性肿瘤之一。

来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员之所以专注于结直肠癌，是因为其作为全球最突出的癌症类型之一，其恶性转化可以很容易地通过基因改造。

为了实现致癌DNA重组的时空控制，他们开发了一种强力霉素敏感蓝光调节Cre系统（oxycycline-sensitive blue-light-regulated Cre system，以下简称OptoCre），然后将其引入诱导型Apc^fl/fl Kras^LSL-G12D/+Trp53^fl/fl  (AKP) 健康细胞中。

△ 诱导“迷你结肠”类器官肿瘤发生的实验工作流程示意图。（CC：结肠细胞；ISC：肠道干细胞；TA：转运扩增细胞）

为了确认成功的致癌转化，研究人员从类器官培养基中去除了生长因子（EGF、noggin、R-spondin、WNT3A），并观察到只有具有激活OptoCre的细胞才能生长，这是突变AKP结肠类器官众所周知的标志。

△ 常规类器官和“迷你结肠”类器官中时程肿瘤发生实验的明场和荧光图像。荧光信号表明致癌重组。

在成功应用于传统AKP突变的结直肠癌细胞系后，研究人员将正常的OptoCre-AKP细胞种至水凝胶模式的微流控装置中。为了评估肿瘤起始生态位的功能影响，研究人员从富含隐窝或腔源性肿瘤的微型结肠中分离出癌细胞，并成功建立“迷你结肠”类器官（mini-colons）。

通过使用 RNA 测序（RNA-seq）分析不同AKP系转录组，体内和类器官AKP细胞系在生长潜力方面存在较大差异。

研究表明，与传统的结肠类器官不同，源自“迷你结肠”隐窝肿瘤的细胞更忠实地再现了体内结直肠癌细胞的生长特性。这些“迷你结肠”的管腔可随时用新鲜培养基灌注，这样就能清除细胞碎片，并将其寿命延长至数周，而无需传代或组织破坏。

△ “迷你结肠”类器官单细胞和谱系追踪分析所遵循的实验工作流程示意图。

研究人员还通过免疫染色和测序分析证实了“迷你结肠”类器官内的肿瘤异质性，病理组化结果显示其呈现管状腺瘤的特征，它还具有与肿瘤来源癌细胞相同的肿瘤移植效率。在分子特征上，其与Apc，Kras和Trp53等突变直接相关，且可以通过调节驱动基因的突变数目来调节“迷你结肠”的肿瘤发生。

通过对携带肿瘤的“迷你结肠”进行单细胞转录组分析，结果显示，“迷你结肠”中包含8种主要的细胞类型，它们被分离为未分化的、吸收的和分泌的谱系。总的来说，“迷你结肠”类器官的特征允许在体外发育生物学复杂的肿瘤，通过提供可用于剖析癌症发生的分子因素的高分辨率系统来弥合体外和体内模型之间的差距。这为开展肿瘤发生研究提供了生理学相关的背景。

△ 致癌突变诱导“迷你结肠”类器官中完全成熟的肿瘤。

通过比较细胞间的遗传条形码，研究人员检测到了83种克隆群体，不同克隆能产生不同的肿瘤亚型。

“迷你结肠”肿瘤大多由未分化的细胞（约92%）形成，结肠细胞和分泌细胞稀疏存在。与健康细胞相比，肿瘤细胞也形成了更大的克隆群体。这些细胞比例与体内通常观察到的细胞比例非常一致。

研究人员还利用OptoCre系统对肿瘤发生过程中的关键分子进行筛选，鉴定出了Gpx2（一种谷胱甘肽过氧化物酶与结直肠癌恶性转化相关）这一关键因子。并发现抑制Gpx2能够下调肿瘤细胞的干性，降低其致癌潜能。此外，研究人员还对细菌代谢物和饮食成分对肿瘤发展的影响做了探究。

综上所述，在这项创新研究中，科学家开发了拓扑生物学上复杂的“迷你结肠”，这些“迷你结肠”类器官能通过集成微纳加工、光遗传学和组织工程学方法进行离体肿瘤发生。

利用OptoCre系统，通过蓝光照射引导致癌活化来控制致瘤转化，并且可以在不破坏培养物的情况下以单细胞分辨率实时跟踪新出现的结肠肿瘤长达数周。

这些诱导的“迷你结肠”类器官显示出丰富的肿瘤内和肿瘤间多样性，并概括了体内结直肠肿瘤显示的关键病理生理学特征。通过微调细胞内在和细胞外在参数，“迷你结肠”可用于识别致瘤决定因素和药理学机会。

这项新技术为结直肠癌研究提供了一个灵活的高分辨系统，可以模拟之前只能用动物模型观测的复杂过程。该技术在调整后或能用于研究其他癌症类型（例如肺癌、乳腺癌或前列腺癌），为在体外进行癌症起始研究铺平了道路。随着肿瘤类器官技术的进一步发展，预计未来将会有更多科研成果出现，为癌症治疗带来革命性的改变。

肿瘤类器官

绘就癌症研究蓝图

与利用iPS细胞诱导的类器官不同，肿瘤类器官是提取自肿瘤组织本身，能够在体外模拟肿瘤的三维结构和微环境，包括肿瘤细胞、细胞外基质以及分泌因子的相互作用。

这种高度模拟为研究肿瘤细胞的生物学行为提供了一个近乎生理状态的试验平台，也为疾病模型的建立，抗肿瘤药物的筛选和评估，深入研究肿瘤发生发展机制提供了宝贵的体外场所。

目前，学术界已经有相关试验案例显示，肿瘤类器官技术的推陈出新，对于减少动物实验，提升新药研发速度，开发创新治疗手段，提供精准化、个体化用药指导开辟了新思路。

2023年，来自澳大利亚的科研团队开展了一项利用患者来源的肿瘤类器官（PDTOs）进行预测性药物测试的临床研究[2]，旨在建立一种利用PDTOs进行体外预测性药物测试的统一框架，以更精准地预测转移性结直肠癌（mCRC）患者对标准治疗方案的反应，为其个性化治疗提供更可靠的依据。

利用患者来源的肿瘤类器官（PDTOs），从患者新鲜的肿瘤组织样本中衍生而来，能精准反映原始肿瘤的组织学和基因组特征，是一种预测治疗益处的很有前途的方法，非常适合高通量药物测试。

△ 该研究实验的图形概要，表明利用PDTO药物测试可以为转移性结直肠癌的多种标准治疗提供预测信息。

通过在澳大利亚墨尔本四家医院提取的数据来看，患者的不同性别、诊断年龄、肿瘤分期、原发肿瘤部位、分级等对构建肿瘤类器官的成功率影响不大，生成PDTOs的成功率高达81.1%。他们还发现CRC肝转移是最佳的类器官培养位置，成功率为75%（12例/16例）。

而PDTOs的药物反应预测则与患者的临床结果高度相关。根据药敏测试结果，PDTOs测试达到了84.6%的预测准确率，66.7%的敏感性，95.8%的特异性，82.1%的阴性预测值（NPV）以及90.9%的阳性预测值（PPV）。

这项研究表明，利用PDTOs进行前瞻性药物试验测试，将为结直肠癌患者构建全新的标准治疗方案提供新思路和框架，有望开辟mCRC患者的个体化治疗之路。

胰腺导管腺癌（PDAC）是一种恶性程度高、诊断难度大的癌症，由于斩断延迟、化疗耐药、转移性高，缺乏可靠的生物标志物或早期诊断方法，亟需开拓新的研究模型。

2023年，来自日本东京大学的研究人员发表研究论文[3]，文章表示他们可以利用iPSC衍生的间充质干细胞融合患者来源的胰腺导管腺癌细胞，生成全新的胰腺癌类器官（FPCO）。

△ 利用iPSC、细胞球体共培养和气液界面（ALI）技术，形成适合胰腺癌细胞的导管状结构，最后融合而成2种胰腺癌类器官（FPCO）。

这个合成的类器官可以高度模拟患者体内的肿瘤微环境，产生了两种不同类型的胰腺癌类器官，一种是增值性的（pFPCO），一种是静止性的（qFPCO），且这两种类型的FPCO类似于典型患者肿瘤组织的不同部分。

研究人员对这两种不同类型的胰腺癌类器官进行了抗癌药物的耐药性测试，以确认创新融合而成的胰腺癌类器官（FPCO）中人工的肿瘤微环境对抗癌药物敏感性的影响。

△ 胰腺导管腺癌类器官耐药性测定概述图。

在加入不同浓度的抗癌药物（吉西他滨、5-氟尿嘧啶（5-FU）和紫杉醇）后，在增值性胰腺癌类器官（pFPCO）中，药物治疗后1周癌细胞数量增加。

这表明，pFPCO是一种有效的肿瘤类器官模型，并可能为开发可以抑制胰腺导管腺癌复发的癌症疗法提供检测系统。

这项创新研究有望利用胰腺导管腺癌类器官加速抗癌药物筛选，促进癌症生物学和个性化医疗的深入研究，为实现患者精准治疗带来曙光。

简言之，肿瘤类器官作为体内肿瘤的体外“替身”，可以高度还原肿瘤组织的异质性，因此成为帮助癌症患者进行药物测试和筛选的绝佳试验场所。在一定程度上可以缓解患者的试药苦楚，协助医生进行临床用药指导，提供更为安全有效的精准医疗建议。随着肿瘤类器官技术的不断纯熟，未来更多肿瘤患者将因此受益，这将大大提升患者生命健康质量。