类器官，又一篇Nature系列综述！

小五

来源:觅健 2024-07-12 09:15:24

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关键词：免疫治疗

类器官，又一篇Nature系列综述！

原创 BioMed科技 BioMed科技 2024年07月09日 22:25 广东 8人听过

癌症的发生和发展是一个复杂且持续的过程，涉及恶性转化细胞与肿瘤微环境（TME）之间的动态相互作用。TME不仅包括细胞外基质（ECM）、癌相关成纤维细胞（CAFs）和血管系统等基质成分，还包括多种免疫细胞，这些元素共同影响肿瘤的进展和治疗反应。近年来，针对TME的癌症免疫疗法在临床试验中取得了一定的成功，但其反应率在不同肿瘤类型之间差异显著，且疗效常常是短暂的、个性化的，并且容易受到耐药性的影响。

为了提高患者选择、靶点识别和耐药机制的定义，亟需能够真实再现患者特异性肿瘤免疫微环境的实验模型。传统的2D肿瘤细胞系和3D类器官模型通常仅代表肿瘤上皮细胞，缺乏免疫成分，限制了其在模拟人类TME和免疫治疗反应方面的应用。然而，随着对TME的深入研究和3D类器官技术的快速发展，现在有可能增加这些体外癌症模型的细胞复杂性（图1）。

2024年7月8日，斯坦福大学医学院的Calvin J. Kuo等人在Nature Reviews Cancer期刊上发表了一篇名为：Cancer organoids 2.0: modelling the complexity of the tumour immune microenvironment的综述。该论文第一作者是斯坦福大学医学院的Roel Polak。该文综述了当前可用的及快速发展的3D肿瘤类器官模型，这些模型能够捕捉TME的重要免疫特征，并讨论了利用类器官进行肿瘤免疫、药物开发和精准医学研究的多种机会。

肿瘤免疫类器官系统

类器官是由干细胞衍生的3D组织培养物，能够自组织成类“迷你器官”，再现其体内对应结构和功能。类器官可以通过诱导多能干细胞（iPS）或成年干细胞生成，并可从正常组织和各种肿瘤（如胶质母细胞瘤、肉瘤和神经内分泌肿瘤）中高效衍生。患者来源的肿瘤类器官（PDOs）可以进行动态的肿瘤生物学研究，比2D细胞系更能保留肿瘤的原始特征和患者间的差异，且在长期培养中保持结构和遗传完整性。PDOs在基础癌症生物学研究和临床前转化研究中具有广泛应用，但传统的癌症类器官缺乏基质成分，尤其是免疫细胞，限制了对肿瘤生物学和治疗反应的全面研究。

1.重建基质和免疫类器官模型

通过重建单独的上皮、基质和免疫成分构建的类器官模型为TME的生物功能研究提供了重要见解。例如，研究发现CAF分泌的WNT促进胰腺导管腺癌（PDAC）类器官的生长，并促进结直肠癌（CRC）类器官的上皮-间充质转化（EMT）。此外，通过基因操纵3D膀胱类器官模型，发现基质分泌的BMP诱导肿瘤性FOXA1，从而决定肿瘤表型。通过外源性重建的癌症类器官中加入不同的免疫细胞群体，如TAMs和T细胞，可以进一步研究肿瘤免疫微环境。

2.原生免疫类器官方法

为了研究TME的所有原生免疫和非免疫成分，开发了更全面的类器官方法，如气液界面（ALI）类器官模型和患者来源的类器官肿瘤球体（PDOTS）。在ALI培养中，肿瘤类器官从嵌入胶原凝胶或其他ECM的初级组织片段生长，保留了内部组织结构和粘弹性，从而允许生成包含内源性基质和免疫群体的原生免疫类器官。这种模型保留了肿瘤的异质性、突变负担和结构。PDOTS在微流控装置中培养小肿瘤片段，保留了自体淋巴细胞和髓样细胞，并用于评估免疫治疗反应。这些方法保留了肿瘤与TME的关键相互作用，但由于肿瘤内的空间变异性和复杂性，可能存在一些限制。

肿瘤免疫类器官的实验评估

1. 肿瘤免疫类器官的成像：

先进的光学显微成像技术在分析免疫类器官中的细胞相互作用和免疫治疗效果方面具有重要作用。例如，使用共聚焦显微镜和单细胞转录组学技术研究癌症免疫类器官与CAR T细胞的相互作用。光片显微镜和高分辨率显微镜技术能够快速、温和地获取活体图像，并结合新型多重抗体标记技术，可在活体样本中观察多种细胞类型和相互作用。

2. 肿瘤免疫类器官的单细胞分析：

单细胞技术加速了癌症生物学研究，应用于肿瘤免疫类器官中的细胞异质性分析。流式细胞术和质谱流式细胞术可以同时检测多个细胞参数，而单细胞RNA测序能够深入分析TME中的细胞成分。这些技术可以用于研究和优化免疫治疗在原生免疫类器官中的效果。

3. 类器官的基因修饰：

基因工程技术大大增强了类器官在癌症生物学研究中的应用。通过病毒转导、Cre-lox和CRISPR-Cas9技术，对类器官进行基因编辑，以研究特定基因事件在癌症发展中的作用。

CRISPR技术和单细胞RNA测序结合的策略，如perturb-seq和CROP-seq，可以在单细胞水平上定义基因功能。然而，将这些基因修饰策略扩展到原生免疫类器官系统可能面临挑战，因为组织片段或切片类器官在基因编辑和细胞类型特异性基因表达方面存在困难。

精准医学的应用

目前预测免疫治疗效果主要依赖于治疗前的肿瘤测序或组织化学分析。然而，这些方法的预测价值有限，仍需改进。类器官，特别是从患者活体中提取的类器官，提供了个性化模拟免疫治疗反应的机会。

类器官能够准确再现3D肿瘤结构、异质性和药物反应，优于传统的2D癌细胞系。多项研究表明，类器官在化疗、放疗、靶向治疗和组合疗法中的患者反应与实际临床反应具有相关性。但这些研究通常样本量较小，存在发表偏倚，长期疗效预测的准确性尚未确定。

肿瘤微环境的复杂性和类器官的局限性：传统的肿瘤类器官模型仅包含癌细胞，无法反映复杂的免疫微环境，因此难以有效预测长期患者结果。重新构建包含基质和免疫成分的模型可能提高类器官的转化应用价值。

1. 混合模型与再构建模型：

- 再构建模型中，传统癌症类器官外加外源的外周血淋巴细胞、肿瘤浸润淋巴细胞或CAR T细胞，用于研究和预测患者对免疫疗法的反应。

- 例如，在小规模队列中，病人来源的失配修复缺陷CRC类器官与自体外周血T细胞共培养无法预测组合ICB疗法的临床反应。