综述：类器官驱动的精准癌症建模：肺癌研究的新前沿

《Cell Reports》：Organoid-based precision cancer modeling: New frontier in lung cancer research

本综述系统阐述了患者来源肺癌类器官（LCOs）在精准癌症建模中的最新进展。文章重点探讨了LCOs在保留肿瘤异质性、通过多组学整合链接基因型与表型、以及利用基因编辑和共培养系统探索肿瘤-微环境相互作用方面的独特优势。作者（专业术语）强调了LCO生物样本库和国际合作在转化研究中的重要性，并指出尽管存在建立效率低等挑战，LCOs为理解肺癌发病机制和开发更有效疗法提供了强大平台。

　　

BACKGROUND

肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因之一，这凸显了对能够准确再现疾病生物学的高级临床前模型的迫切需求。基因工程小鼠模型和传统的二维细胞系模型作为肺癌研究的标准生物模型，虽然对理解疾病机制有重要贡献，但在将研究发现直接转化为临床应用方面存在明显局限性。近年来，类器官技术的进步为这些挑战提供了有前景的解决方案。类器官是直接从患者组织中衍生的三维微型结构，能够忠实地再现其原始组织的组织学结构、遗传景观和生理功能。患者来源的肺癌类器官（LCOs）代表了肺癌建模的变革性进展，为研究肿瘤生物学、促进药物发现和推动临床转化提供了多功能平台。

ESTABLISHMENT AND ASSESSMENT OF PATIENT-DERIVED LCOs

Success rates

多项研究报告了建立LCOs的成功率在17%-80%之间波动，这种差异很大程度上是由于对成功建立类器官的定义不一致所致。一个重要的问题是癌症组织中经常观察到正常气道上皮细胞的污染。因此，通过组织病理学和分子分析确认已建立类器官的癌症身份至关重要。此外，需要通过手动分离或选择性培养条件进行纯化。目前已有三种选择性培养方法被提出用于LCO富集。尽管为改进LCO培养方案付出了巨大努力，其建立效率仍保持在20%左右，显著受到组织学类型、样本收集方法、样本来源和胸水的影响。与其他癌症相比，这种相对较低的效率突显了肺癌微环境内活跃的生态位因子在标准LCO培养基中未能充分体现的关键作用。

Molecular and pathological assessment

患者来源的LCOs保留了在临床中观察到的分子和病理学特征，反映了亲代肿瘤的遗传和组织病理学谱。遗传突变、拷贝数变异和染色体畸变在LCOs和亲代癌症之间是保守的。组织病理学评估显示，LCOs保留了原始癌症的组织学类型，包括肺腺癌（LUAD）、肺鳞状细胞癌（LUSC）、小细胞肺癌（SCLC）和大细胞神经内分泌癌（LCNEC）。这些特征在移植到免疫缺陷小鼠体内后仍然保持，证明了病理形态发生的稳定性。比较基因组分析表明，一些LCOs携带了在相应肿瘤中未检测到的额外突变，这可能反映了罕见亚克隆的过度生长或培养诱导的新生突变。

Phenotypic characterization

LCOs表现出临床相关的表型，包括与患者结局密切相关的生态位依赖性和药物敏感性。先前的研究表明，LCOs对靶向治疗（如EGFR酪氨酸激酶抑制剂）的敏感性通常与临床结果相关。此外，使用LCOs的异种移植模型验证了其对药物反应的预测有效性。与传统的基于血清的培养相比，类器官培养提供了更明确的条件，便于精确操纵生长因子。这种能力独特地使得评估个体LCO对特定信号通路的依赖性成为可能，为驱动肿瘤生长和进展的生态位因子提供了宝贵的见解。

PHENOTYPE MAPPING OF PATIENT-DERIVED LCOs

肺癌的临床病程和结局在患者之间差异很大，即使在相同的组织学类型内也是如此。虽然测序技术已将特定的遗传或转录组谱与临床表型联系起来，但大多数基因-药物反应关联缺乏足够的鲁棒性用于临床转化。患者来源的LCOs增强了我们对肺癌生物学的理解。

Linking molecular profiles and biological phenotypes

类器官表现出与致癌作用相关的各种生物学表型。通过去除特定的生态位因子，可以轻松评估生长因子依赖性。例如，Wnt依赖性受EGFR/KRAS突变和癌症气道起源的影响。Fukushima等人建立了一个全面的SCLC类器官库，并根据转录组谱将亚型分类为神经内分泌（NE）和非NE型。他们发现，以YAP1或POU2F3表达为特征的非NE型类器官依赖于IGF-1信号传导并对IGF-1抑制有反应。虽然LCOs的体外侵袭和转移测定仍在开发中，但使用类器官来源的异种移植（ODX）的体内转移模型已成为填补这一空白的有力工具。

Linking molecular profiles and drug response

理解癌症中的药物反应对于改善患者预后至关重要。从痰液和循环肿瘤细胞（CTCs）建立LCOs解决了这一挑战，使得能够建立治疗后的LCOs。事实上，这些治疗后的LCOs通常对原始患者先前接受过的疗法表现出耐药性。此外，对没有已知耐药相关突变的耐药LCOs进行的全面分子分析揭示了一种共表达LUAD和LUSC标志物的独特基因表达模式。这种现象被称为“基底样转变”（basal shift），可能与组织身份基因（如从NKX2-1到TP63）的表观遗传重编程有关，并可能解释LUAD如何在不获得新基因突变的情况下获得对EGFR靶向疗法的耐药性。

Decoding lung cancer phenotype via genetic engineering

上述基因型-表型作图可能为特定的生物学表型提供新的遗传学解释。然而，与临床序列研究类似，LCOs的表型分析通常揭示的是关联而非因果关系。为了建立因果关系，研究人员转向基因工程，比较仅在特定遗传位点不同的同基因模型。增强子和超级增强子动态与治疗耐药性有关，并可能代表新的治疗脆弱性。最近的研究表明，LCOs保留了患者特异性的非编码调控元件，包括增强子景观，并且其高肿瘤纯度最大限度地减少了基质污染，允许使用DNA甲基化和ATAC-seq进行更清晰的表观基因组分析。

APPLICATIONS OF LCOs TO DRUG DISCOVERY AND PERSONALIZED PRECISION MEDICINE

Biobanks: Supplying LCOs for experimental use supports translational research advancement

大规模国际倡议已经生成了全面的“癌症基因组图谱”，编目了各种癌症类型中多样的遗传改变。尽管学术界研究人员已经建立了癌症类器官的活体生物样本库，但它们与工业药物发现管线的有限整合仍然是LCOs临床转化的一个关键障碍。当前的类器官生物样本库主要集中于结直肠癌、胰腺癌和乳腺癌以及胶质瘤和膀胱癌，反映了这些组织已建立的培养方案。尽管肺癌发病率高且临床意义重大，但LCO生物样本库的发展仍然相对有限。

High-throughput screening: LCO-based assays enable rapid and efficient screening of potential therapeutic compounds

最初为二维细胞系开发的高通量筛选（HTS）已被应用于三维类器官系统，包括LCOs。类器官为基础的HTS需要进行特定优化以增强可扩展性、准确性和可重复性。最近使用LCOs进行HTS的报告已经确定了有前景的候选化合物。例如，利用SCLC来源的LCOs的研究发现了能够克服化疗耐药性的化合物。LCOs还使得研究罕见患者亚组成为可能。

Application of LCOs to precision medicine

由于LCOs能够重现肺癌特有的肿瘤内异质性，因此它们代表了一个有前景的精准医疗平台。将LCOs应用于个性化治疗的早期努力成功地从临床肺癌样本中建立了类器官。随后的研究证明，LCOs忠实地保留了其亲代肿瘤的基因组和药物敏感性谱，使得离体药物测试能够指导个体化治疗策略。在精准肿瘤学框架内，LCOs是识别新治疗靶点、评估特定遗传改变对药物敏感性的影响、预测对单药和联合方案的反应以及阐明耐药机制的有力工具。

Immuno-oncology applications using LCO-immune cell co-culture

基于免疫的疗法，包括免疫检查点抑制剂、抗体药物偶联物（ADCs）和双特异性T细胞衔接器（BiTEs），在临床实践中越来越多地被使用。患者来源的LCOs为研究癌症免疫反应和预测治疗效果提供了一个有价值的平台。然而，仅包含LCO的模型缺乏肿瘤微环境（TME）的组成部分，因此不能充分复制肿瘤-免疫相互作用。为了解决这个局限性，已经建立了一系列下一代共培养方法。在“天然”免疫类器官模型中，如气液界面（ALI）培养物或患者来源的器官型肿瘤球体（PDOTS），保留了内源性免疫和基质细胞的全部 repertoire。这些模型能够延长对免疫反应的评估。“重建的”类器官模型基于在细胞外基质（如Matrigel）或悬浮液中生长的癌症类器官，其中加入外源性非癌细胞。最近的研究还引入了肺癌组装体模型，这些模型在概念上类似于其他先进的共培养系统，重建了空间肿瘤组织。

LIMITATIONS AND FUTURE PERSPECTIVES OF LCOs

如本综述所述，LCOs已被证明能够忠实地重现原发性肿瘤的组织病理学、基因表达谱和药物敏感性。然而，LCO建立成功率低且不一致可能会阻碍其在精准医疗中的更广泛应用。当前的LCO培养方法受到缺乏标准化组织处理方案和明确培养基成分的限制。即使成功建立，也需要注意正常气道上皮污染的风险。因此，明确的验证标准，例如存在一致的遗传突变、拷贝数变异和组织学特征，对于确认LCOs相对于其原发性肿瘤的癌症身份至关重要。建立技术的进步，例如使用痰液和循环肿瘤细胞（CTCs）进行微创采样，预计将改善从晚期肿瘤获取LCOs的机会。目前，大多数LCO研究集中于仅由癌细胞组成的类器官，而包含TME关键组分（如间充质细胞、内皮细胞和免疫细胞）的共培养系统的发展有限。缺乏成熟的共培养模型限制了我们研究肿瘤-TME相互作用的能力，并制约了LCOs在免疫肿瘤学中的更广泛应用。鉴于TME在影响肿瘤进展和治疗反应中的关键作用，开发生理相关的共培养模型势在必行。