综述：患者来源类器官（PDOs）作为结直肠癌个性化治疗的有前景平台：当前应用与未来挑战

《Cancer Biology & Therapy》：Patient-derived organoids (PDOs) as a promising platform for personalized treatment of colorectal cancer: current applications and future challenges

本综述系统阐述了患者来源类器官（PDOs）在结直肠癌（CRC）个性化治疗中的前沿应用。文章重点探讨了PDOs在预测化疗（如FOLFOX/FOLFIRI）、靶向治疗（针对EGFR、VEGF等）及免疫治疗疗效方面的价值，并深入分析了其在研究耐药机制（如KRAS突变）、药物筛选、构建生物样本库及结合基因编辑（CRISPR/Cas9）与器官芯片技术等方面的潜力，为克服CRC异质性及治疗抵抗提供了创新平台。

　　

引言

结直肠癌（CRC）是全球癌症相关死亡的第三大原因，每年新增病例超过185万，死亡人数达85万。在中国，CRC的发病率和死亡率分别位居第三和第五。尽管治疗方法不断进步，但CRC的临床治疗仍面临巨大挑战。当前II-IV期CRC的主要治疗手段包括手术切除，辅以化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗。然而，由于患者的个体异质性，这些治疗方法的疗效难以持续且高效。传统的“一刀切”治疗模式无法为CRC患者提供满意的预后，五年内复发风险高达40%。因此，迫切需要寻找更精确的个性化疗效预测模型。

患者来源类器官（PDOs）作为一种新兴的临床前模型，逐渐成为研究热点，为CRC的个性化治疗开辟了新前景。PDOs直接从患者的肿瘤组织、癌旁组织或转移灶中获得，是一种三维细胞培养系统，能够模拟肿瘤微环境中的关键基因、物理和机械线索，再现肿瘤异质性、组织结构、分子特征以及细胞间相互作用。此外，它为抗癌药物筛选和预测患者对个性化方法的反应提供了更生理相关的环境，填补了简化二维模型和动物模型之间的空白。

PDOs在CRC个性化治疗中的应用

利用PDOs测试药物特异性

评估辅助放化疗疗效

辅助放化疗是预防或治疗II-IV期CRC患者复发的主要方法，在一定程度上显著改善了患者的生存期和预后。但由于缺乏有效的分析工具来预测药物与患者的匹配程度，大量患者并未从辅助放化疗中获益，反而遭受了严重的副作用。

PDOs源自CRC患者的原代组织培养，更接近患者真实的肿瘤微环境，可用于检测各种药物对CRC细胞的细胞毒性作用，从而准确预测患者对治疗方案的反映，提供个性化的药物选择和治疗计划。例如，Mao等人的研究为50例CRC肝转移患者建立了PDOs生物样本库，并证实PDOs对FOLFOX或FOLFIRI化疗方案的敏感性预测与临床反应和预后相关。Smabers等人的研究表明，PDOs对5-氟尿嘧啶、伊立替康和奥沙利铂的敏感性与CRC患者的实际治疗反应率显著相关。此外，被PDOs检测为对奥沙利铂化疗耐药的患者，其无进展生存期明显短于敏感患者。一项II期临床研究证明了使用PDOs药物敏感性测试指导转移性CRC患者治疗的可行性。

评估和优化靶向治疗药物及其联合疗法的疗效

靶向治疗通过特异性阻断肿瘤生长相关的分子通路，可显著改善晚期CRC患者的生存。其应用必须基于分子分析，强调个性化治疗。CRC的靶向药物包括表皮生长因子受体（EGFR）抑制剂、血管内皮生长因子（VEGF）抑制剂、人表皮生长因子受体2（HER2）靶向疗法以及用于治疗具有特定分子谱CRC患者的BRAF抑制剂等。

然而，RAS突变在CRC中占主导地位，约占60%，而携带RAS突变的转移性左半结肠癌患者对EGFR受体抑制剂产生耐药性。由于患者样本量不足，大多数研究无法对RAS突变特定亚型进行详细分析。事实上，不同突变热点之间，甚至特定密码子的不同变体之间，药物反应存在显著差异。目前，某些靶向药物，如sotorasib和adagrasib，已被开发用于KRAS G12C突变的患者，但仍处于临床试验阶段。通过PDOs的药物敏感性测试和基因分析，研究人员已经探索出一些联合治疗策略。例如，双重EGFR通路阻断联合Aurora激酶A（AURKA）抑制可能对具有获得性KRAS突变和AURKA/c-MYC表达增加的化疗耐受CRC肝转移的二线治疗有效。另有研究利用重新利用的药物库筛选CRC PDOs，发现长春瑞滨与EGFR/MEK抑制联合使用时，能在体内触发全细胞周期凋亡并显示出强大的抗癌效果。

CRC PDOs可用于基于分子分析预测靶向药物疗效，有望进一步提高CRC靶向治疗药物及其联合疗法的精准度，扩大受益患者范围，成为研究和临床转化治疗的有力工具。

预测免疫治疗效果并寻找更有效的免疫治疗靶点

免疫治疗是癌症治疗的一个重要里程碑。现有临床数据强烈表明，免疫检查点抑制剂可有效治疗具有错配修复缺陷或高度微卫星不稳定的转移性CRC。然而，不幸的是，大部分CRC患者为错配修复功能完整或微卫星稳定，这意味着该患者群体对免疫治疗无反应。此外，即使在MSI-H CRC患者中，由于个体肿瘤微环境的多样性，部分患者仍表现出较差的治疗反应。因此，治疗前的疗效测试以及探索适合CRC的免疫治疗靶点，是CRC免疫治疗的重要研究方向。

类器官可以整合基质细胞、血管和免疫细胞等成分，模拟原发性CRC肿瘤的复杂微环境，揭示肿瘤与免疫系统之间的动态相互作用，为评估免疫检查点阻断疗法和各种免疫疗法提供临床前基础。研究表明，将CRC PDOs与患者自身外周血淋巴细胞共培养，可以增强肿瘤特异性T细胞的存在，从而评估其对PDOs的细胞毒性作用，预测患者对细胞免疫治疗的反应。通过分析人CRC PDOs与自体外周血免疫细胞的异型共培养物，可以评估T细胞和自然杀伤细胞的浸润、激活和功能，并揭示靶向MICA/B和NKG2A的免疫调节抗体的抗肿瘤潜力。还有研究开发了用于定量评估CAR-NK细胞对CRC PDOs细胞毒性作用的3D平台，能够对CAR疗法的疗效和肿瘤精准度进行个性化分析。此外，研究发现CRC细胞分泌的细胞外囊泡可以抑制T细胞和树突状细胞的共刺激通路，导致免疫检查点阻断治疗耐药。敲除囊泡中的miR-424可以放大T细胞介导的抗肿瘤免疫反应。

通过CRC PDOs还可以追踪癌细胞的迁移、侵袭途径和耐药信号通路，为研究免疫治疗耐药机制提供研究平台。例如，通过建立涉及单核细胞、CD8⁺ T细胞和PDOs的共培养系统，研究发现SIRT1通过CXCR4/CXCL12通路触发肿瘤相关巨噬细胞的运动，并抑制CD8⁺ T细胞的生长和功能，从而加速CRC进展。新型的“微型结肠”模型利用光遗传学等技术实现了肿瘤发生的时空控制，支持在单细胞分辨率下长期观察肿瘤-免疫微环境的动态演变。通过将CRC PDOs与自体T细胞共培养，可以筛选特异性杀伤肿瘤细胞的T细胞，为过继性细胞治疗提供精准模型。基于PDOs的免疫治疗反应数据，可以设计个性化的免疫联合疗法，以针对个体患者的肿瘤异质性。

PDOs在耐药性测试与筛选中的应用

耐药性测试与机制研究

CRC-PDOs能够模拟原发肿瘤的组织学和分子特征，包括基因组、转录组和肿瘤微环境，已成为检测CRC耐药性的主要模型。通过应用PDOs模型，研究人员已经鉴定出几个可能与CRC耐药性相关的关键基因和通路。例如，STMN1、VEGFA和NDRG1等基因的异常表达与奥沙利铂耐药相关。研究还表明，耐药的CRC细胞在奥沙利铂治疗下会发生显著的染色质变化。此外，代谢适应、DNA损伤反应的激活、细胞凋亡缺陷和细胞衰老减少也是重要的耐药机制。研究发现，联合使用丝裂霉素C和ATR抑制剂可显著增强对腹膜转移的疗效。对不同分子亚型的研究发现，CMS4亚型对吉非替尼和SN-38表现出独特的耐药性，并确定MET为潜在靶点。另一项研究揭示，靶向LGR4-Wnt信号通路可以放大化疗引起的细胞死亡，从而克服耐药性的发展。近期研究还发现了一种新的基质-TME串扰机制，其中Wnt5a通过TGF-β/NOTUM/OLFM4信号抑制CRC进展，并且Wnt5a与5-FU的联合疗效凸显了克服CRC化疗耐药的有前景的策略。一项研究PDOs筛选放疗耐药直肠癌的临床试验确定了一种EGFR抑制剂和MEK抑制剂的协同方案，使肿瘤消退率提高了40%。PDOs在CRC耐药研究中的应用已发展成一套系统的技术路径，并越来越多地应用于临床实践和验证。

药物筛选与反应预测

PDOs在CRC药物筛选和个体治疗反应准确预测方面显示出巨大潜力。一项前瞻性研究表明，PDOs能够准确预测超过80%接受伊立替康为基础化疗的转移性CRC患者的治疗反应。这为制定个性化治疗方案提供了基础，有望提高患者的临床获益。研究利用基于网络的机器学习方法，从3D CRC PDOs的药物基因组学数据中识别出能够预测114名CRC患者对5-氟尿嘧啶治疗反应和77名膀胱癌患者对顺铂治疗反应的生物标志物。另一项研究利用声学生物打印PDOs的床旁检测系统模拟癌症侵袭并预测个体CRC患者的治疗反应，还建立了PDOs侵袭率与配对患者肿瘤扩散率之间的相关性，为医生决定是否进行保肛手术提供了定量指标。此外，通过结合药物库或计算机预测，PDOs还可用于高通量药物筛选，快速评估大量药物对肿瘤细胞的作用，加速新药开发进程。一些研究还采用了自动化培养和分析技术，进一步提高了肿瘤微环境中药物筛选的通量和一致性。尽管PDOs在CRC药物筛选中具有优势，但仍面临一些挑战，例如需要进一步减少PDOs异质性对药物筛选的影响。

生物样本库的建立与遗传异质性研究

CRC的异质性涉及一系列基因组和表观遗传学改变，是导致治疗效果不理想的主要原因之一。2015年提出的CRC共识分子分型基于基因表达模式定义了四种亚型。建立CRC患者PDOs库可用于分析肿瘤的分子特征，检测不同的治疗方法，并研究潜在的致病分子和抗癌疗法。多项研究报道了在CRC患者中建立PDOs生物样本库并提出了新发现。例如，建立了包含20例CRC患者肿瘤和正常组织来源类器官的“活体生物样本库”，发现该库中的遗传变异谱与之前大规模的CRC突变分析结果一致。建立了来自高风险结直肠腺瘤患者的大型肠道类器官库，并基于该库进行了一系列高通量和高内涵药物筛选，识别出四种潜在的候选药物。还成功构建了50个肝转移样本的生物样本库，并鉴定出几种罕见的分子表型。现有证据表明，PDOs生物样本库在预测个体患者治疗结局方面具有临床价值。

然而，建立和维护PDOs生物样本库的高成本和工作量是需要克服的挑战，尤其是培养时间长且失败率相对较高。为了克服这些限制，有研究采用癌症组织来源球体方法从异质性CRC标本中建立类器官，并在一周内使用半有效浓度梯度将CTOS分类为对化疗方案敏感或耐药，以预测CRC患者的新辅助治疗结果，显示出更好的实用效率。

疾病模型构建与器官芯片技术在机制研究中的应用

PDOs可以与器官芯片技术相结合，模拟免疫系统与组织之间的“对话”，为研究CRC的发生、发展和治疗反应提供新平台。与传统体外模型相比，器官芯片可以更精确地控制局部细胞、分子、化学和生物物理参数，更灵活地模拟人CRC微环境。将器官芯片与PDOs结合，不仅复制了CRC组织本身的特征，还模拟了CRC细胞与基质细胞或其他器官的相互作用，以构建更复杂和优化的模型系统。例如，有研究探索了肿瘤芯片与小组织或器官样本结合的应用前景。此外，器官芯片技术可用于评估新型抗癌药物的有效性。通过精确控制微环境条件，器官芯片可用于分析各种参数对肿瘤细胞行为和治疗反应的影响。一些研究已经探索了结合器官芯片技术和PDOs来评估新型抗癌疗法的有效性。同时，生物传感器和数据分析工具的发展将推动这些模型在药物筛选和个性化治疗中的应用。

目前，器官芯片与PDOs的结合在CRC研究中仍面临一些挑战。例如，已经建立了具有血管化和多器官功能的复杂模型系统，并模拟了免疫系统在肿瘤发生和发展中的作用。未来，通过与其他新兴技术如基因编辑和3D生物打印相结合，有望更好地模拟CRC的发生和发展过程，为CRC的基础研究和临床转化提供创新工具，加速新药开发和个性化治疗。

基因编辑与细胞治疗

多项研究表明，使用CRISPR/Cas9等基因编辑技术操作肿瘤类器官，可以重现与CRC发生和发展相关的关键分子事件。例如，通过编辑正常肠道类器官样本中的常见癌基因如APC和P53，可以诱导自发性肿瘤形成。这种方法不仅能识别与癌症相关的基因，还能重现肿瘤进展和转移的整个过程。此外，基因编辑技术结合PDOs还可用于研究关键的肿瘤生物学问题，如肿瘤干细胞的克隆动力学和微卫星不稳定性。

当前的PDOs培养系统无法完全模拟肿瘤微环境中的免疫细胞，这在一定程度上限制了其在免疫治疗研究中的应用。现有的CRC PDOs主要来自早中期患者，而对复发或转移性肿瘤模型的研究相对缺乏。因此，未来有必要建立更多来自转移性或耐药性肿瘤的PDOs系统，结合基因编辑技术，以更精确地研究肿瘤进展后期的分子机制。

总之，结合基因编辑和细胞治疗，PDOs为CRC的精准医疗提供了一个有前景的模型平台。通过持续的技术创新和模型优化，这一领域有望取得进一步进展。

结论

CRC是全球性的重大健康问题，转移、耐药和缺乏有效的免疫治疗一直是改善临床患者预后的障碍。长期以来，由于缺乏良好的体外研究工具，上述问题未能得到解决。PDOs作为一种新策略，旨在提高临床前研究的预测价值，并最终有助于在个性化医疗中做出精准决策，节省时间和资源。PDOs在改善抗肿瘤药物活性筛选、毒性/治疗计划以及个性化对化疗和放疗敏感性等重要问题方面的能力备受期待。然而，PDOs也存在一些局限性，例如成本高、耗时，且在模拟肿瘤微环境复杂性方面存在弱点，例如缺乏肿瘤细胞与人体免疫细胞和基质细胞的相互作用。未来的研究可以关注以下几个方面：1. 建立包含免疫细胞的复合类器官模型，以研究免疫系统与CRC的关系；2. 结合单细胞多组学技术，深入分析各种细胞亚群及其分子机制；3. 开发标准化和自动化的类器官培养平台，提高实验的一致性和可重复性；4. 在更大规模的临床研究中验证PDOs预测患者治疗反应的能力。总之，PDOs在CRC个性化治疗中前景广阔，不仅能使研究人员更好地理解肿瘤的生物学特性，还能为患者提供更精准、个性化的治疗方案。然而，仍需进一步深入研究以充分挖掘其在基础和转化研究中的潜力。