患者来源类器官与神经球平行模型的比较研究揭示胶质母细胞瘤异质性特征

《Neuro-Oncology Advances》：Patient-derived Organoids and Neurospheres recapitulate salient features of primary tumor heterogeneity

本研究针对胶质母细胞瘤(GBM)异质性建模难题，通过平行构建患者来源类器官(PDO)和神经球(PDN)模型，开展多组学比较分析。研究发现两种模型均能忠实再现原发肿瘤的基因组、表观基因组和转录组异质性特征，且PDN模型在替莫唑胺(TMZ)治疗反应研究中展现出肿瘤细胞状态动态变化的独特优势，为GBM精准治疗研究提供了重要模型选择依据。

　　

胶质母细胞瘤(GBM)作为最具侵袭性的脑肿瘤，其治疗面临巨大挑战，其中肿瘤异质性被认为是导致治疗失败和肿瘤复发的关键因素。这种异质性不仅体现在不同患者之间的差异，更表现在单个肿瘤内部存在多种细胞状态，包括星形细胞样(AC-like)、间充质样(MES-like)、神经元祖细胞样(NPC-like)、少突胶质细胞祖细胞样(OPC-like)和祖细胞样(Progenitor)等状态。这些细胞状态具有可塑性，能够在治疗压力下发生动态变化，从而产生耐药性。

为了深入研究GBM异质性并开发有效治疗方法，研究人员需要能够忠实再现原发肿瘤特征的实验模型。传统的二维细胞培养模型在长期培养过程中往往失去肿瘤异质性，而患者来源的三维模型，如患者来源类器官(PDO)和患者来源神经球(PDN)，被证明能更好地模拟肿瘤的复杂性。然而，这两种模型孰优孰劣，以及它们对原发肿瘤异质性的再现程度如何，特别是当它们从同一肿瘤组织平行生成时，尚未有系统性的比较研究。

针对这一知识空白，来自澳大利亚沃尔特-伊丽莎霍尔医学研究所的Zachery Moore等研究人员在《Neuro-Oncology Advances》上发表了一项重要研究。他们从四例GBM患者的手术样本中同时建立了匹配的PDO和PDN模型，并通过多组学分析手段，包括单核苷酸多态性(SNP)阵列、DNA甲基化芯片和单核RNA测序(snRNA-seq)，系统评估了这两种模型在再现原发肿瘤特征方面的能力。

研究团队采用的主要技术方法包括：从皇家墨尔本医院神经外科脑和脊柱肿瘤组织库获取的四例GBM患者样本平行建立PDO和PDN模型；通过SNP阵列分析拷贝数变异(CNAs)；使用EPICv2甲基化芯片进行全基因组DNA甲基化分析；利用单核RNA测序(snRNA-seq)和单细胞RNA测序(scRNA-seq)解析转录组异质性；应用numbat软件进行亚克隆分析；通过高内涵活细胞成像系统评估替莫唑胺(TMZ)的药物反应。

研究结果一：患者来源模型反映患者组织的基因组和表观基因组特征

研究发现，无论是早期传代的PDO(第2代)还是后期传代的PDN(第3-5代)，都能保持原发肿瘤的关键基因组特征，如7号染色体增益和10号染色体缺失等典型GBM变异。虽然两种模型都与原发肿瘤高度一致，但PDN模型由于培养时间更长，显示出更多的表观遗传学差异，特别是在HOX基因家族区域。DNA甲基化分类器确认两种模型都保持了原发肿瘤的MGMT启动子甲基化状态和脑癌亚型分类。

研究结果二：模型的非恶性细胞组成

通过单核RNA测序分析，研究人员发现PDO模型中确实含有非恶性细胞(如星形胶质细胞、神经元、少突胶质细胞前体细胞和内皮细胞)，但这些细胞的保留程度因样本而异。相比之下，PDN模型中非恶性细胞极少，这与PDN的培养条件更有利于肿瘤细胞扩增相一致。值得注意的是，从一个肿瘤纯度极低(<5%)的样本(GBM-1116)生成的模型中，非恶性细胞比例较高，反映了原发组织的细胞组成。

研究结果三：PDN表现出上调的增殖特征

假体分析显示，与组织相比，PDN模型有更多的差异表达基因(DEGs)，而PDO模型的差异较小。基因集富集分析(GSEA)表明，两种模型都富集了"Hallmark G2M检查点基因"，但PDN模型的富集程度更高。细胞周期分析证实PDN模型中有更多细胞处于G2/M期，这与Ki67表达增加一致，反映了PDN模型更强的增殖能力。

研究结果四：肿瘤异质性在PDO和PDN模型中得到重现

通过numbat软件推断亚克隆组成，研究发现原发组织中存在的亚克隆在匹配的PDO和PDN模型中都能检测到，尽管比例可能有所不同。单细胞水平的肿瘤细胞状态分析显示，两种模型都能重现原发肿瘤中的主要细胞状态(AC-like、MES-like、NPC-like、OPC-like和Progenitor)。虽然模型中的祖细胞样状态有所富集(可能与体外增殖能力增强有关)，但总体细胞状态组成与原发肿瘤高度一致。

研究结果五：TMZ差异性影响肿瘤细胞状态

药物敏感性测试显示，PDN模型对替莫唑胺(TMZ)比PDO模型更敏感，这可能与PDN更高的增殖率有关。在6个独立的PDN模型测试中，TMZ的50%抑制生长率(GR₅₀)从5.58μM到93.56μM不等，且敏感性与倍增时间短和MGMT启动子甲基化相关。单细胞转录组分析揭示，TMZ治疗导致AC-like和MES-like细胞比例增加，而祖细胞样细胞减少，表明TMZ对增殖细胞有特异性细胞毒性作用。通过TIRE-seq技术进行的纵向研究进一步证实，TMZ治疗会诱导细胞周期相关基因签名减少和静止相关签名增加。

研究结论与讨论部分强调，这项研究首次对从同一GBM组织平行生成的PDO和PDN模型进行了全面比较。结果表明，尽管两种模型在培养时间和增殖能力上存在差异，但它们都能很好地再现原发肿瘤的基因组、表观基因组和转录组异质性。这意味着研究人员可以根据具体实验需求选择合适的模型：PDO可能更适合研究肿瘤微环境相互作用(尽管非恶性细胞的保留不稳定)，而PDN则因其强大的扩增能力和适用于高通量筛选而更适合治疗研究。

研究还证实，PDN模型能够捕捉TMZ治疗过程中肿瘤细胞状态的动态变化，特别是AC-like和MES-like细胞的富集，这与临床观察到的治疗耐药性机制一致。这一发现强调了利用异质性模型研究治疗反应的重要性。

研究的局限性包括样本量较小，以及PDN培养液中添加的EGF和bFGF等有丝分裂原可能增强其增殖特性。未来需要更长期的纵向研究来评估亚克隆异质性和肿瘤细胞特征在长期培养中的稳定性。

总之，这项研究为GBM研究领域提供了重要见解，确认了PDO和PDN模型在再现肿瘤异质性方面的价值，为未来针对特定肿瘤细胞状态的精准治疗研究奠定了坚实基础。研究结果表明，模型选择应基于具体科学问题，而非简单判断哪种模型"更优"，这为肿瘤模型研究提供了更加细致和实用的指导框架。