《Cell Biochemistry and Function》：Patient-Derived Organoids in Functional Precision Oncology: Tumor Modeling, Drug-Response Prediction, and Clinical Translation
患者来源类器官（patient-derived organoids，PDOs）已成为一种有效的实验平台，用于弥合传统体外癌症模型与实际肿瘤生物学复杂性之间长期存在的差距。这些直接来源于患者组织的三维（3D）培养物保留了其来源肿瘤的基本结构、基因组和表型特征，从而能够更准确地模拟肿瘤异质性和疾病演变。在过去十年中，类器官培养系统、细胞外基质（ECMs）和生长因子优化方面的快速方法学进展，促进了多种恶性肿瘤类器官模型的建立，以及代表不同患者群体的大型活体生物样本库的发展。这些模型正日益被用于研究癌症生物学、阐明治疗耐药机制以及评估患者特异性治疗反应，凸显了其作为精准肿瘤学工具的潜力。然而，仍然存在重要挑战，包括肿瘤微环境（TME）的不完全代表性、培养条件的变异性、可扩展性有限，以及对更高标准化和验证的需求。因此，尽管PDOs在转化研究和个体化医学方面显示出相当大的前景，但其常规临床应用在很大程度上仍处于研究阶段，其临床效用尚未完全确立。本综述考察了PDO生成的技术基础，评估了其作为肿瘤生物学实验模型的作用，并讨论了其在转化癌症研究和精准肿瘤学中不断扩大的应用，同时强调了在其广泛临床采用之前必须解决的关键挑战。
1 引言
在能够准确重现天然组织复杂性的实验系统中模拟人类疾病，仍是生物医学研究中的重大挑战。传统的二维（2D）细胞培养虽然被广泛使用，但往往无法再现人体组织的三维（3D）结构、细胞相互作用和生物学特征，从而限制了其预测体内疾病行为和治疗反应的能力。相比之下，3D培养系统已成为更具生理相关性的模型，能更好地重现组织结构与功能。在诸多进展中，类器官技术已成为研究人类发育和疾病的强大平台。类器官是由干细胞或原代组织衍生的3D自组织结构，能够复制其来源组织的关键结构和功能特征。由于这些模型保留了组织结构和细胞组成的重要方面，它们已成为研究疾病机制和评估治疗反应的重要实验平台，涵盖免疫学、再生医学和肿瘤学等多个生物学领域。在此基础上，患者来源类器官（PDOs）已成为直接从临床标本重现患者特异性肿瘤生物学的前景模型。PDOs能够保留原始肿瘤的重要分子、遗传和表型特性，同时允许体外长期扩增和实验操作。此外，PDO模型已被发现能够模拟患者对抗癌治疗的特异性反应，支持其作为药物筛选和功能性精准肿瘤学平台的潜力。尽管类器官技术快速进步且利用PDOs的研究数量不断增加，但在标准化、可扩展性以及整合到转化和临床研究方面仍存在若干重要障碍。此外，PDOs的应用范围不断扩大，从疾病建模和功能基因组学到药物开发和定制治疗，需要对当前进展和现有局限进行全面综合。本综述提供了PDO技术的最新概述，重点介绍其方法学基础、在癌症生物学和治疗反应建模中的应用，以及在精准医学中日益增长的重要性。研究人员还批判性地审视了继续限制更广泛临床实施的生物学、技术和转化挑战。最后，研究人员讨论了可能促进PDOs整合到生物医学研究和个体化癌症护理中的未来方向。
2 方法
本综述为叙述性综述。研究人员使用PubMed/MEDLINE、Scopus和Google Scholar进行了全面的文献检索，以识别2009年至2026年3月发表的相关研究。检索词包括"患者来源类器官"、"癌症类器官"、"精准肿瘤学"、"药物筛选"、"功能性精准肿瘤学"、"肿瘤微环境"、"类器官生物样本库"、"个体化医学"、"患者来源异种移植衍生类器官"和"芯片上类器官"等组合。通过手动筛选相关出版物的参考文献列表确定了额外文章。纳入标准考虑了涉及患者来源类器官在多种癌症类型中的开发、生物学应用、转化潜力和临床实施方面的原创研究文章、临床研究、方法学论文和高质量综述文章。优先考虑里程碑式研究、近期进展以及具有显著方法学或临床相关性的出版物。会议摘要、非英语出版物以及缺乏足够方法学细节或与本综述范围无直接相关性的研究被排除。由于这是叙述性综述，未进行正式的系统综述方案或定量证据综合。
3 PDO技术的历史与技术基础
现代PDO技术的根源可追溯到Sato等人具有里程碑意义的研究，该研究证明单个Lgr5+肠道干细胞在含有适当生长因子的细胞外基质（ECM）中培养时，能够自组织成隐窝-绒毛结构。这一发现为类器官技术在多种癌症类型中的广泛采用奠定了基础，本质上提供了一种在体外模拟人类癌症的新方法。与传统的2D细胞培养相比，这些类器官提供了更真实的3D模型，不仅保留了组织结构，还捕获了肿瘤内细胞异质性。
多项关键进展使这些系统的发展成为可能。3D培养平台允许细胞发展出适当的极性、细胞间连接和组织样结构，而这些在平面单层培养中是不存在的。更复杂的类器官系统通常需要专门的培养平台，如旋转生物反应器，其提供所需的机械支持和营养灌注。Matrigel等ECM支架通过提供层粘连蛋白、胶原蛋白IV以及其他基质蛋白和生长因子来支持类器官生长，促进上皮组织和增殖。然而，由于Matrigel来源于鼠肉瘤，显著的批次间变异性可能影响实验可重复性，且许多肿瘤类型的最佳ECM组成仍未完全明确。生长因子补充对于维持类器官活力和干细胞功能同样重要。典型培养基含有Wnt信号激活剂、表皮生长因子（EGF）以及转化生长因子-β（TGF-β）和骨形态发生蛋白（BMP）信号通路抑制剂。对于肠道类器官，EGF、Noggin和R-spondin-1构成标准培养基的核心组分。选择性撤除EGF也被实验性地用于富集RAS突变肿瘤群体，证明培养条件可能施加类似于体内肿瘤演变的的选择压力。
PDOs可从多种组织来源建立，每种来源具有不同的优势和局限性。内镜或针吸活检标本在临床上可及，因此与精准肿瘤学尤为相关；然而，有限的组织体积和低肿瘤细胞含量可能降低类器官建立率。成功率因肿瘤类型而异，直肠癌活检通常表现出高于头颈癌的建立率。活检衍生培养的另一个局限性是正常上皮细胞的优先扩增，其可能在类器官建立过程中超越恶性细胞。手术切除标本通常提供更大量高质量组织，促进类器官建立和多种肿瘤类型活体生物样本库的开发。然而，依赖手术标本固有地限制了代表性仅限于符合手术切除条件的患者，引入了潜在的选择偏倚。恶性积液代表了另一种有前景的肿瘤细胞来源。从胸膜或腹膜积液中分离的细胞可通过微创操作获得，通常表现出较高的类器官建立率，并能够研究多个肿瘤部位的转移异质性。
一旦建立，PDOs需要通过机械或酶促传代进行连续扩增。根据肿瘤类型和培养条件，类器官生成和扩增通常需要数周至约3个月，尽管优化方案已在选定环境中报告了4周内成功的药物测试。
4 PDOs作为癌症生物学模型
4.1 肿瘤结构、异质性和肿瘤微环境（TME）的重现
过去十年中，体外模拟人类癌症的方式发生了显著变化，PDOs也不例外。类器官系统允许肿瘤细胞在更接近其来源组织结构背景的3D ECM中扩增。在上皮恶性肿瘤中，这通常导致腺体组织、顶端和基底极性以及分化状态的保留，反映原发肿瘤中观察到的特征。这种结构保留不仅仅是描述性的。细胞的物理排列影响信号梯度、营养扩散、氧气可用性和细胞间通讯。当肿瘤细胞脱离这种空间背景时，许多这些相互作用被破坏。类器官培养恢复了部分微解剖框架，有助于维持在传统2D系统中经常改变细胞行为。
肿瘤异质性是癌症生物学的另一个决定性特征，也是支持类器官使用的最有力论据之一。肿瘤作为由遗传上不同的亚克隆组成的生态系统演变，每个亚克隆具有不同的生长特性和治疗敏感性。跨结直肠癌、乳腺癌、卵巢癌、肝癌和胰腺癌的研究一致表明，类器官保留了患者间多样性以及一定程度的肿瘤内异质性。在结直肠癌（CRC）中，大型前瞻性类器官生物样本库保留了反映亲本肿瘤的染色体不稳定性模式和突变景观。单细胞分析进一步表明，原发组织中存在的亚克隆群体可以在培养中持续存在，允许研究人员在受控实验条件下探索克隆动态。然而，重要的是不要过度强调这种保留。任何体外系统都会施加选择压力。一些亚克隆可能随时间优先扩增，特别是在延长传代后。因此，早期传代验证和仔细的实验时间安排对于解释类器官中的克隆行为仍然至关重要。
模拟TME引入了额外复杂性。标准PDO培养富集上皮肿瘤细胞，因此缺乏许多体内影响肿瘤进展的基质和免疫组分。最近的工作已开始解决这一差距。Neal等人证明肿瘤浸润淋巴细胞可以在类器官平台内维持并进行功能评估。其他纳入癌症相关成纤维细胞的研究进一步提供了对基质信号相互作用的见解。
尽管如此，类器官并未完全复制活体组织内的血管网络、全身免疫调节、内分泌影响或机械力。在实践中，它们处于还原论细胞培养和体内模型之间的位置。它们在保留关键肿瘤固有特征的同时简化了周围生态系统。这种保真度和可控性之间的平衡在很大程度上解释了它们在转化癌症研究中日益增长的相关性。
4.2 与原发肿瘤相比的遗传和表观遗传保真度
任何疾病模型的可信度取决于其分子保真度。就PDOs而言，支持与亲本肿瘤基因组一致性的证据是充分的。全外显子组测序和拷贝数分析反复证明驱动突变和主要致癌通路在连续传代中的保留。CRC类器官生物样本库特别确认了患者特异性突变谱和染色体不稳定性模式的维持。
除了基因组改变外，转录身份也基本保守。转录组研究表明类器官保留谱系相关基因表达程序和肿瘤亚型特征。新兴表观基因组数据表明DNA甲基化模式和染色质可及性状态在早期和中期传代中也得以保留。虽然延长培养可能引入一些表观遗传差异，但在受控系统中观察到的分子稳定性程度支持其在机制研究中的使用。这种分子连续性不仅在描述性方面令人安心，它使功能实验成为可能。因为类器官保留了原始肿瘤的遗传和转录框架，研究人员能够检查这些改变如何在生物学上表现。当基因组分析与药物反应测试结合时，类器官提供了一种将分子改变与治疗结果联系起来的手段。这种整合超越了突变目录编制，走向功能解释。
4.3 与传统2D培养和患者来源异种移植（PDXs）相比PDOs的优势
2D癌细胞系对癌症生物学的理解做出了巨大贡献。然而，单层条件下的长期生长可能导致克隆选择和遗传漂变，有时导致模型偏离它们所代表的肿瘤。类器官通过维持三维结构、分化层次和肿瘤异质性的某些方面减少了其中一些局限性。虽然选择压力并未完全消除，但类器官倾向于比长期建立的细胞系更接近地保留患者组织的分子和表型相似性。
与PDX模型相比，PDOs提供明显优势。异种移植保留活体生物体内的肿瘤生长并维持血管相互作用，但需要大量时间和资源，且不易适应快速药物筛选。相比之下，类器官通常可以在数周内建立并扩增以进行多种治疗剂的平行测试。证明类器官药物反应与患者结果之间相关性的共临床研究进一步强化了其转化相关性。由于这些原因，PDOs通常被视为实用桥梁。它们提供比传统细胞系更大的生物学保真度，同时比动物模型更易于实验管理。
4.4 局限性：基质和免疫组分丢失及批次变异性
尽管有其优势，PDO系统并非没有局限性。标准培养不能完全复制体内肿瘤中存在的血管网络、全身免疫调节或生物力学背景。免疫-类器官共培养方法代表了有意义的进展，但技术上仍具挑战性且缺乏统一标准化。
基质依赖性也引入了变异性。大多数类器官系统依赖生物来源的细胞外基质如Matrigel，其可能在不同批次间变化并影响细胞行为。合成或化学定义基质的开发正在进行中，可能改善跨实验室的可重复性。
最后，建立效率因肿瘤类型而异，体外生长条件可能有利于某些亚克隆的扩增。这种选择性代表的潜力强调了在将类器官发现转化为更广泛的生物学结论时需要进行验证。综合来看，这些考虑并未削弱PDOs的价值。相反，它们定义了应解释类器官数据的背景。虽然并非体内肿瘤的完整复制品，但PDOs仍然是目前可用的最具生物学信息性和实验适应性的人类癌症模型之一。
5 PDOs在个体化药物测试中的应用
PDOs已成为评估肿瘤学个体化治疗反应的核心功能平台。与仅基因组学的精准方法相比，基于PDO的药物分型能够直接评估肿瘤活力、生长动力学和通路激活对化疗和靶向药物的反应，从而为治疗假设提供功能验证。
5.1 PDO药物测试的方法学原则
将PDO药物敏感性数据转化为临床可操作的读数需要明确的流程：组织获取、类器官建立、药物暴露、活力读数以及与临床结果的比较。手术切除组织的建立率集中在约50%-90%，但针吸活检或细针穿刺标本的建立率急剧下降。组织学亚型在单一组织来源内也很重要。既往治疗暴露同样降低建立成功率。
周转时间比文献中通常承认的变化更大，报告的数字需要仔细解读。区分标准与探索性快速筛选时间线，以及区分基于寿命的建立定义与固定周转目标，很重要，因为这实质上影响给定方案在实践中的"临床可操作性"。
检测平台已收敛于ATP发光或核荧光活力读数，多数与剂量-反应曲线和AUC型或IC50型汇总指标配对，而非单浓度终点。预定反应阈值在这篇文献中比通常假设的更常见，但几乎没有一个经过外部验证。验证状态从单臂探索性病例系列到前瞻性中期验证队列不等。
5.2 跨癌症类型的案例研究
在mCRC中，Smabers等人系统评估了影响PDO药物筛选性能的方法学因素，并评估了优化类器官测定与患者对标准化疗方案反应相关的能力。CRC PDO平台也证明保留了亲本肿瘤的组织病理结构和分子特征。在FGFR4变异和野生型CRC类器官中，FGFR4抑制剂治疗减少了类器官生长并降低了下游信号介质的磷酸化。
PDAC作为前瞻性PDO整合的临床先进范例。在可行性研究（HOPE试验）中，Grossman等人从活检标本生成PDAC类器官并进行药物敏感性测试，将类器官药物反应谱与患者临床结果进行比较。在另一项研究中，来自PDAC手术标本的类器官用于评估新辅助治疗（NAT）背景下的化疗敏感性。然而，在解释这些发现时，一个重要区别是类器官-患者一致性代表回顾性验证还是真正的前瞻性预测。治疗前活检的有限可用性严重限制了PDOs理论上可在治疗开始前指导治疗选择的患者数量。
在三阴性乳腺癌（TNBC）中，PDOs和PDX模型用于评估WEE1抑制剂AZD1775的敏感性。Huizi Wu等人从75个乳腺癌样本中建立了60个类器官，达到80.0%的建立成功率。药物筛选使用22种药物的组合进行，研究发现PDO药物敏感性与匹配患者临床反应之间具有一致性。
在卵巢癌中，Chen等人建立PDOs并进行体外药物敏感性测试，报告类器官反应与临床铂敏感性状态相对应。Chang等人报告卵巢癌PDOs保留了亲本肿瘤的突变谱和拷贝数改变，并表现出对化疗药物的差异性反应。
在手术切除的肺癌中，PDOs用于生物标志物和药物测试，保留亲本肿瘤的组织学和遗传特征，并表现出基因型对齐的治疗敏感性。在非小细胞肺癌（NSCLC）中，类器官鉴定了化疗耐药模型中的AKR1B10过表达，依帕司他的重新利用在类器官和异种移植系统中恢复了化疗敏感性。
RCC PDOs已使用基质包埋和气-液界面（ALI）培养系统成功建立，证明保留了组织病理结构和肿瘤特异性分子特征。在ALI平台中，类器官保留了基质和免疫组分，包括CD8+T细胞。功能性上，RCC PDOs已用于靶向药物筛选，揭示了对卡博替尼等药物的异质性反应。
GC PDOs从手术标本生成，并证明保留了与匹配原发肿瘤一致的组织学特征和遗传改变。药物敏感性测试使用标准护理化疗药物进行，研究报告PDO药物反应谱与相应患者临床结果之间具有一致性。
5.3 PDOs作为化疗和靶向治疗反应的预测因子
跨肿瘤类型，PDOs的预测价值已在卵巢癌铂类化疗、PDAC新辅助化疗、mCRC氟尿嘧啶-、伊立替康-和奥沙利铂-based方案、TNBC WEE1抑制、CRC FGFR4抑制、肺癌EGFR靶向治疗中得到证明。这些研究共同表明，PDOs可以作为常规化疗反应的预测因子和靶向治疗脆弱性的功能验证器，包括药物重新利用策略。
5.4 肿瘤类型特异性类器官建立决定因素
建立效率和培养基需求在上皮和非上皮恶性肿瘤之间存在显著差异，标准基质包埋方案不能转移到几种肿瘤类型。胶质母细胞瘤模型通常作为神经球衍生或脑类器官基础系统传播，依赖神经而非Wnt驱动培养基，并失去驱动治疗耐药的缺氧和血管周围生态位。前列腺癌类器官历史上从原发组织显示出低长期建立率，雄激素受体阳性腔上皮培养经常被良性基底上皮过度生长。血液恶性肿瘤没有上皮隔室，无法通过常规类器官方案建模。
5.5 纳入共临床和N-of-1试验
PDOs整合到共临床和个体化试验设计中正在积极推进。HOPE PDAC可行性试验代表了将PDO药物敏感性与临床结果相关联的前瞻性共临床模型。OPTIC CRC研究框架将PDO药物分型整合到前瞻性临床试验基础设施中。乳腺癌PDO生物样本库工作证明了在晚期和复发疾病中的适用性，支持潜在的N-of-1决策框架。这些研究表明PDO药物分型正从回顾性和观察性相关性向前瞻性临床评估迈进；然而，前瞻性可行性不应等同于已证明的临床效用，随机干预研究仍然是确定PDO指导的治疗选择是否改善患者结果所必需的。
6 PDOs与精准肿瘤学平台的整合
精准肿瘤学日益需要将分子分层与功能性治疗测试连接起来的系统，在保留患者特异性肿瘤生物学的模型中进行。PDOs保留来源肿瘤的关键组织学和基因组特征，并可扩展用于药物测试，使其成为转化精准医学的有吸引力的平台。其影响在与下一代测序（NGS）、CRISPR功能基因组学、免疫共培养系统和微流控芯片上类器官方法整合时得到放大。
6.1 PDOs+NGS用于患者分层和基因型-表型关联
NGS可以识别可操作的改变和基因组特征，但许多肿瘤中治疗反应不能仅从基因型可靠推断。通过全基因组测序（WGS）表征的肺癌类器官提供了全面基因组分析与类器官建立配对以支持下游功能查询和治疗开发的例子。更广泛地说，临床共试验类器官生物样本库已显示PDO药物敏感性模式可以与转移性胃肠癌患者结果对齐，支持在患者匹配系统中表型优先验证的概念。
6.2 PDOs+CRISPR/Cas9用于功能基因组学
PDOs中的CRISPR扰动能够在3D患者衍生背景下因果识别遗传依赖性、耐药机制和合成致死相互作用。在CRC中，肿瘤类器官中的CRISPR编辑已用于功能验证候选驱动因子。在胰腺癌模型中，整合基因组编辑和筛选方法已用于将遗传扰动与类器官样系统中的药物反应表型联系起来。
然而，解释PDO-CRISPR实验需要特别谨慎，因为意外编辑事件可能引入错误归因于预期遗传扰动的表型。脱靶切割、大基因组重排、拷贝数改变或预先存在克隆的选择可能改变细胞适应性和药物敏感性，可能产生错误的机制结论。因此，PDOs中CRISPR扰动可行性应与所得表型的特异性和生物学有效性区分开来。目标特异性应通过实验验证，包括预测脱靶位点测序、与适当亲本或非编辑对照比较，以及可行时更广泛的基因组评估如WGS。未来PDO-CRISPR研究应纳入预定质量控制标准。
6.3 免疫类器官：PDOs+免疫共培养用于免疫治疗测试
由于经典上皮PDOs缺乏免疫组分，免疫共培养（免疫类器官）平台旨在体外模拟肿瘤-免疫相互作用并评估免疫治疗策略。综述概述了将肿瘤类器官与免疫元素结合以支持精准癌症免疫治疗临床前测试的原理和方法，以及模拟肿瘤免疫微环境和测试免疫治疗剂的类器官基础策略。
6.4 PDOs+芯片上类器官和微流控用于动态肿瘤-免疫-药物相互作用
微流控芯片上类器官系统通过实现灌注、受控转运、多隔室共培养和时间分辨暴露来解决静态培养局限性。患者来源胰腺癌芯片上类器官平台整合PDOs与关键TME组分，证明微流控如何增强更生理条件下的药物反应体外建模。芯片上类器官已被定位为通过微工程微环境改善类器官成熟度和实验控制的途径。具有灌注微血管网络的肿瘤芯片平台已显示用于培养患者来源肿瘤类器官和在血管化转运条件下研究药物反应的可行性。
7 临床转化和进行中的试验
PDOs的临床转化在过去十年中取得了显著进展；然而，其在常规临床实践中的作用仍在积极研究中。核心问题是PDOs中观察到的药物反应是否能可靠预测患者治疗结果。虽然大量研究证明了类器官药物敏感性与临床结果之间的令人鼓舞的关联，但证据强度因评估终点而异。当前证据支持几个不同的验证水平，包括与影像学反应的一致性、与无进展生存期（PFS）的相关性、治疗耐药预测、PDO指导测试的前瞻性可行性，以及在较小程度上通过治疗决策证明临床效用。
7.1 mCRC中的临床验证
转移性结直肠癌（mCRC）目前提供支持PDO转化的最强临床证据。多项前瞻性观察研究证明了类器官药物敏感性与影像学治疗反应之间的一致性。Ooft等人报告CRC PDOs对伊立替康和奥沙利铂基础化疗的反应与临床治疗反应相关。Vlachogiannis等人证明了转移性胃肠癌中PDO药物反应与临床结果之间的一致性。Smabers等人证明PDO药物敏感性评分与mCRC患者PFS相关。
7.2 胰腺癌和其他实体瘤
支持PDO指导预测的证据也在胰腺癌、卵巢癌、乳腺癌、肺癌和直肠癌中积累，尽管临床验证程度因肿瘤类型而异。在PDAC中，Tiriac等人证明PDO药物反应与患者化疗敏感性相关。卵巢癌中，de Witte等人观察到类器官反应与铂类化疗临床反应之间的一致性。肺癌中，Kim等人显示类器官对EGFR靶向治疗的反应与肿瘤基因型和临床结果一致。Ganesh等人进一步证明了使用直肠癌类器官预测放化疗反应的可行性。
7.3 生物样本库和标准化
从有前景的实验室发现到可复制转化平台的转变主要依赖于生物样本库基础设施。Clevers描述了能够长期生长同时保留关键上皮特性的类器官培养系统的创建。Driehuis等人发布了用于药物测试的患者来源癌症类器官创建的详细技术。活体类器官生物样本库的开发允许在大患者队列中系统分析肿瘤异质性和治疗反应。长期冷冻保存和再扩增使重复测试和治疗方案比较评估成为可能。
然而，PDO生物样本库的临床相关性不仅取决于保存和扩增类器官的能力，还取决于建立成功率以及类器官能否在治疗决策窗口内生成和筛选。定量数据根据组织来源显示显著差异。选择偏倚是解释建立率时的另一个关注点。手术切除通常提供更多组织，可能产生更高建立成功率，但接受手术的患者代表具有潜在不同疾病特征的选择人群。核心活检更能代表治疗决策时可用标本，但较小体积和潜在较低肿瘤细胞含量可能降低建立效率。报告的时间线在研究间差异显著，应根据完整工作流程而非最终药物暴露测定的持续时间来解释。快速方案应与验证的常规工作流程区分，短期药物暴露期不应与短期总体周转时间混淆。临床有用的PDO工作流程最终需要可复制的组织获取、建立、扩增、质量控制和药物测试时间线，适应治疗决策窗口，而非仅证明在选定样本中快速测试在技术上可行。
