把肿瘤“种”成器官是什么样？且看Science起底年度黑科技！
2018/3/6 医学界肿瘤频道
拿你的矛，戳你的盾。
作者丨鲸鱼
来源丨医学界肿瘤频道
近日，听说Science又带着蜜汁微笑静静地在肿瘤界抛下一枚深水炸弹，余震直接传到界哥的脚后跟。这下不理不行了，后知后觉地界哥立即带上深度近视眼睛，佯装前排敬业吃瓜群众。这个瓜还真的有点咸、有点甜呢~
这项研究的出发点挺有意思，从患者自身肿瘤组织出发，挖一块出来，一脸慈爱地呵护、培养，等它长成一个“小乖乖”，重点就来了，研究者将这些“小乖乖”用于测试各种抗癌药物，直接在体外获得药物的有效性。
而这些“小乖乖”，研究者称之为类器官。不得不说，这招真的讨巧、聪明!具体效果怎么样呢，我们好瓜吃到底咯。
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养儿防老，养肿瘤救命
2018年2月23日，Science上刊载了一项由英国研究者发表的，运用肿瘤类器官模型预测肿瘤对抗癌药物反应性的研究[1]。研究人员收集了来自71名转移性结肠癌和胃食管癌的患者的110例肿瘤组织样本，其中有70%被成功地培养成类器官，用于测试55种抗癌药物。
结果发现，从类器官形成之初、到进行药物治疗之后，这些类器官在组织学、分子水平和功能上能够持续与来源肿瘤组织保持高度一致，很好地反映其特点。
看来“小乖乖”们还是很听话的，很好地保持了本源。
图1 肿瘤类器官与来源肿瘤组织基因突变有96%重合[1]
接下去来的临床试验的结果也不负众望。通过肿瘤类器官模型预测患者对于药物的反应时，总体敏感性高达100%，特异性为93%，阳性预测值为88%，阴性预测值为100%。
这意味着，肿瘤类器官模型如果对某一药物有反应，那么这一药物有88%的可能性同样适用于相应的患者；
而对某一肿瘤类器官模型无效的药物，那就根本没有在患者身上尝试的必要!
可以说，相当厉害了!如果以上能够推广，那简直是肿瘤治疗界的实时地图，直接少走很多弯路，奔上治愈的康庄大道了。称之为肿瘤界的“药敏试验”，也是可以有。
那么这个东西这么厉害，真的是头一回炸出来吗？现在蛙儿子都知道到处旅行了，龟缩在井底就落伍了。所以，我们有心地翻了一翻既往绝学，果然，这类肿瘤药物效应预测性研究早已在月光下悄悄地成长了。
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追本溯源：究竟什么是“类器官”？
最早的抗癌药物疗效预测可以说是相当简单粗暴。在经典医疗剧《白色巨塔》之中，就有仁心仁术的内科医生里见为治疗癌症末期的患者，请病理学大河内教授直接使用手术切除的肿瘤样本，检测肿瘤是否对抗癌药物敏感的情节。
图2 《白色巨塔》中大河内教授在预测抗癌药物的疗效
而后，更多新技术的出现，让抗癌药物的疗效预测愈发精细。其中，最为前沿的就属运用人源肿瘤异体移植物模型(patient-derived xenografts, PDX)和人源肿瘤类器官模型(patient-derived organoids, PDO)两种方法。
这两种方法衍生了一系列的基础和临床研究，如通过在人体外建立肿瘤模型，用于预测抗癌药物的疗效，发掘相关的生物标志物，检测相关的基因突变等。
PDO模型：后来居上，势如破竹
相较于肿瘤异体移植物模型，肿瘤类器官模型的建立相对要晚近许多。2009年，Hans实验室培养出了第一个三维的上皮细胞组织[2]。
图5 发明了类器官培养的 Hans Clevers 教授[2]
随后，正常的人类肝脏类器官也在小鼠的体内被培养出来[3]。2014年，首个前列腺癌的类器官模型在纪念斯隆凯特林癌症中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)领衔的一项研究中被建立起来[4]。
2018年1月3日，Nature Method的封面文章[5]将这一技术称为2017年生命科学领域最具潜力的“年度技术”，遂“一夜成名”。
图6 类器官的建立[6]
为了建立类器官模型，研究人员从人体中提取出多能干细胞(pluripotent stem cells, PSC)，在三维结构中通过给予其极少的刺激促进其分化，随后放任其自由生长。这些细胞会自动根据种类分开、排列为特定的空间构型，最终长成类似于人体器官结构的“类器官”[2,6]。
图7 类器官的多种用途[6]
正常组织培养出的“类器官”未来可能会被用于移植或者修复损伤，同时还能避免排斥反应，也可以被用做感染、微生物学研究的模型；而肿瘤的类器官模型则能作为疾病模型更好地反映肿瘤的特点，用于药物反应性试验等研究[2,6]。
图8 类器官发展编年史[6]
肿瘤PDO模型虽然出现较晚，但发展迅猛。对于首个前列腺癌类器官模型的测序结果显示，肿瘤类器官模型的基因表达与其来源一致[4]。同时，由于类器官模型与人体原本的组织具有类似的结构和功能，因此作为一种研究工具能比一般的细胞系或是动物模型更好地反映肿瘤的特点，也更有望被应用于临床。
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再唠唠PDO的同胞哥哥，PDX模型
前面提到了，其实早在名声大噪的人源肿瘤类器官模型(PDO)之前，就已有人源肿瘤异体移植物模型(PDX)的探索，只是很遗憾，它不是今天的主角。不过，毕竟是“直系亲属”，我们也尝试着揭开PDX的面纱，一窥其真面目。
PDX模型需要将人源性肿瘤移植到小鼠身上，所以先向小鼠兄弟说声：受累了……
早在1987年，加州大学医学中心的研究人员就在裸鼠中建立了黑色素瘤的异体移植物模型，运用于临床前的研究[7]。而经过了数十年的发展，Nature Reiews Clinical Oncology在2012年发布了一篇综述[8]系统阐述了肿瘤异体移植物模型的发展。
图3 PDX模型的建立[8]
为了制备肿瘤异体移植物模型，研究人员首先经过患者允许获得多余的肿瘤标本用于研究。随后，肿瘤组织中未坏死的区域会被切碎，移植到无胸腺的裸鼠皮下，并不断扩增多代。
这些肿瘤组织将被用于预测抗癌药物的疗效，寻找能够预测靶向药物疗效的标志物。如果找到了相关的标志物，能够在肿瘤异体移植物模型或真实的患者中准确预测某种药物的疗效，那么这一结果可能会被推向早期的临床试验。
表1 目前已有的PDX模型[8]
在生物学上，通过这一方法培育的肿瘤组织比传统的细胞系更为稳定，其基因表达、突变状态、转移潜能、药物反应均能更好地保持一致，也更适合用于科学研究[8]。
目前，已经建立了结直肠癌、胰腺癌、非小细胞肺癌、乳腺癌、肾细胞癌、黑色素瘤等许多特异性的肿瘤异体移植物模型。
图4 PDX模型用于小儿复发性实体瘤[9]
这一方法也不是纸上谈兵。
2017年发表在Science上的一项研究[9]就运用肿瘤异体移植物方法建立了小儿复发性实体瘤的模型。研究人员收集了168例患者的肿瘤标本，为12类肿瘤建立了67个肿瘤异体移植物模型。这些模型能够很好地反映来源肿瘤组织的基因表达和表观遗传学特点，可以用于抗癌药物疗效的预测。
以这些肿瘤异体移植物模型为基础，研究人员筛选出了几种对这些肿瘤敏感的抗癌药物，而这些药物的确反映出不错的疗效。
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类器官加持，精准治疗可以挺直腰杆了!
肿瘤患者急切地想要知道——究竟哪些药物对我的疾病更有效？
以往对于抗癌药物效果的预测往往是基于包括肿瘤异体移植物模型在内的一些动物模型，而肿瘤类器官模型则能够更快地得出结果，将原本6-8个月的等待时间缩短到几周，为肿瘤病人争取治疗时间[10]。
图9 PDO的实现相对困难[11]
然而，并没有一种方法十全十美。来自瑞士苏黎世大学医院(Universit?tsSpital Zürich)的研究人员对肿瘤组织的培养结果发现[11]，肿瘤类器官的培养比构建肿瘤异体移植物更困难，成功率更低(37.8% vs 86.4%)。
虽然两种方法在培养出的模型在形态结构上与来源肿瘤组织差别不大，但异体移植物的基因变化比肿瘤类器官更为严重，不能完全忠实反映来源肿瘤组织的情况。
图10 综合运用多种手段，推进肿瘤精准治疗[11]
孤军奋战不如团队协作。这一瑞士的研究团队综合运用了全外显子测序、上述两种肿瘤模型以及个体化的高通量药物筛选，组成了全新的肿瘤治疗平台。在进行临床治疗前，及时构建出个体化的肿瘤模型并进行测试，将这些信息整合在一起帮助临床决策，推进了肿瘤的精准化治疗。
尽管该平台尚未推广，不过它至少给出了一条很好的精准化肿瘤治疗之路，假以时日，说不定真的可以褪去高冷的仙气，吸几口人间烟火，落到地上，拯救吃五谷杂粮奇奇怪怪的芸芸大众。
PS：想要Science文献即参考文献1的亲们，请留言哦，界哥等你来撩~
界哥嘚啵嘚
总是要养点什么，不然人生就失去寄托了呀。
最后，搞个小投票吧，刚好办公室角落堆积了一些医学界定制日历，想着都3月了，再不送出去，就该着手定制2019年的了……
所以问问大家，希望界哥以什么样的口吻来行文呢？麻烦有心人在下面投票，单选题说不清的，也可以文末留言，可以拍砖(当然也可以夸赞~)，也可以提出更多建议，看你有眼缘，界哥擦擦日历上的灰就出手了~
参考文献
[1] Georgios Vlachogiannis et al. (2018). Patient-derived organoids model treatment response of metastatic gastrointestinal cancers. Science, 23 Feb 2018;359(6378):920-926. doi: 10.1126/science.aao2774.
[2] Gunjan Sinha. (2017). The Organic Architect. Science, 357 (6353), 746-749.doi: 10.1126/science.357.6353.746.
[3] Takebe T, Zhang RR, Koike H, Kimura M, Yoshizawa E, & Enomura M, et al. (2014). Generation of a vascularized and functional human liver from an ipsc-derived organ bud transplant. Nat Protoc, 2014 Feb;9(2):396-409. doi: 10.1038/nprot.2014.020.
[4] Gao D, Vela I, Sboner A, Karthaus WR, & Gopalan A, et al. (2014). Organoid cultures derived from patients with advanced prostate cancer. Cell, 2014 Sep 25;159(1):176-187. doi: 10.1016/j.cell.2014.08.016.
[5] . Method of the year 2017: organoids, Nature Methods. Available at: https://www.nature.com/collections/qtwnlymxzh Last assessed on 2018-03-05.
[6] Lancaster MA, & Knoblich JA. (2014). Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies. Science, 2014 Jul 18;345(6194):1247125. doi: 10.1126/science.1247125.
[7]Taetle R, Jones OW, Honeysett JM, Abramson I, Bradshaw C, & Reid S. (1987). Use of nude mouse xenografts as preclinical screens. characterization of xenograft-derived melanoma cell lines. Cancer, 60(8), 1836-41.
[8] Tentler JJ, Tan AC, Weekes CD, Jimeno A, Leong S, & Pitts TM, et al. (2012). Patient-derived tumour xenografts as models for oncology drug development. Nat Rev Clin Oncol, 2012 Apr 17; 9(6): 338–350. doi: 10.1038/nrclinonc.2012.61.
[9] Stewart E, Federico SM, Chen X, Shelat AA, Bradley C, & Gordon B, et al. (2017). Orthotopic patient-derived xenografts of paediatric solid tumours. Nature, 2017 Sep 7;549(7670):96-100. doi: 10.1038/nature23647.
[10] Ruth Williams. Tumor Organoids Predict How Well Patients Respond to Cancer Drugs, The Scientist, 22 Feb 2018. Available at: https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/51874/title/Tumor-Organoids-Predict-How-Well-Patients-Respond-to-Cancer-Drugs/ Last assessed on 2018-03-05.
[11] Pauli C, Moch H, Rubin MA, Pauli C, Moch H, & Rubin MA. (2017). Etablierung einer living biobank: bessere steuerung der pr?zisionsonkologie durch in-vitro- und in-vivo-krebsmodelle[Article in German]. Der Pathologe, published online 27 Sep 2017. doi: 10.1007/s00292-017-0346-1.
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