《Communications Medicine》：Theratyping for personalized medicine across cystic fibrosis disease models
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在CFTR调节剂（CFTR modulator）时代，囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）正在经历深刻变革，为符合治疗条件的个体带来疾病进程的重塑。Theratyping（治疗分型）作为一种评估个体对CFTR调节剂应答的离体（ex vivo）策略
在CFTR调节剂（CFTR modulator）时代，囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）正在经历深刻变革，为符合治疗条件的个体带来疾病进程的重塑。Theratyping（治疗分型）作为一种评估个体对CFTR调节剂应答的离体（ex vivo）策略，为精准医学（precision medicine）提供支持，尤其在传统临床试验受限的罕见变异（rare variants）患者中具有重要价值。在本综述中，研究人员讨论了CF疾病模型研究的进展，强调了各平台的优势、局限性与转化相关性（translational relevance）。研究人员还概述了与动物研究中替代、减少和优化（Replacement, Reduction, and Refinement，3R）伦理原则相一致的未来方向，包括器官芯片（organ-on-a-chip）技术，以提升机制认知与临床前预测能力。因此，CF研究为其他罕见遗传疾病的治疗创新提供了范式框架。
引言（Introduction）
囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）是一种由囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）基因突变所致的常染色体隐性多系统疾病。目前已鉴定出超过2000种CFTR变异，依据其分子缺陷类型分为七个功能类别，F508del是最常见的突变，属II类蛋白质转运缺陷。CFTR调节剂的开发，尤其是elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor（ETI）和vanazcaftor/tezacaftor/deutivacaftor（VTD）等高效率三联合疗法的引入，显著改善了符合条件患者的临床结局。然而，地中海国家F508del频率较低，罕见变异比例较高，相当一部分患者仍无法获得高效调节剂治疗。监管机构已基于临床和离体证据扩展调节剂适用人群。Theratyping的角色已从记录体外药物反应转向对多种治疗方案的排序及评估新型临床前策略。目前应用最广泛的离体平台包括人鼻上皮细胞（HNEC）气-液界面（ALI）培养和患者来源的肠道类器官（PDIOs）。
囊性纤维化疾病建模：用于研究的细胞和动物模型（Cystic fibrosis disease modelling: cellular and animal models developed for research）
先进气道人体细胞模型（Advanced airway human cellular models）
早期theratyping依赖于HEK293、FRT、NIH-3T3、CFBE41o-和MDCK等异源细胞系，这些系统具有实验灵活性高、可控转基因表达和可扩展性等优势，适用于高通量筛选并已支持监管决策。然而，此类模型基于cDNA表达，无法捕获剪接缺陷等关键调控机制，且缺乏分化上皮特征。原代HNEC和HBEC经鼻刷或支气管镜获取，在气-液界面分化后进行CFTR功能检测。Ussing chamber是测量CFTR功能的金标准，但通量较低；膜电位检测（FMP或FLIPR）提供中等通量格式。研究表明HNEC的调节剂反应与匹配的HBEC相关，可区分良好和不良应答者。但培养条件、冻存方案和传代次数均影响CFTR功能，体外缺乏反应不一定预示临床无反应。气道类器官支持毛喉素诱导肿胀（FIS）检测，但缺乏完整的假复层结构和黏液纤毛清除装置。
肠道类器官（Intestinal organoids）
PDIOs通常从直肠活检建立，保留内源性CFTR基因型和患者特异性遗传背景，表达较高水平的功能性CFTR。CFTR功能通过毛喉素诱导肿胀（FIS）检测评估，记录类器官腔内扩张情况。PDIOs的优势包括可扩展性、长期培养及与中高通量药物检测的兼容性。二维PDIOs允许顶膜通路用于电生理研究，具有更大的功能检测范围。PDIOs的主要局限在于组织取样不便，且肠道组织不能完全模拟气道上皮特性。近期比较研究显示气道电生理在区分高疗效调节剂组合方面可能具有更强区分能力，但尚无数据表明某一模型在预测临床反应方面具有显著优势，各系统仍具互补性。
患者来源的诱导多能干细胞模型（Patient-derived induced pluripotent stem cell models）
患者特异性人诱导多能干细胞（hiPSC）技术可生成气道、胆道、肠道上皮细胞、胰腺导管细胞和胰岛细胞等多种CF受累组织，保留供体遗传背景。hiPSC已成功分化为功能性气道上皮细胞和呼吸类器官，其独特优势在于可从同一患者生成多种CF相关组织，在同一遗传背景下研究组织特异性治疗反应。hiPSC也适用于基因组编辑，已报道ZFN、CRISPR/Cas9和prime editing介导的致病性CFTR变异校正。然而，重编程、克隆验证和气道分化仍具挑战，分化效率的变异性阻碍了标准化，尚不能直接用于常规theratyping。
CF动物模型（CF animal models）
1992年首个Cftr敲除小鼠的建立证实了CFTR缺失导致氯离子转运缺陷，此后已开发超过20种CF小鼠品系，但小鼠不会自发发展人类CF的主要肺部疾病。2008年通过体细胞核移植开发的CF猪和CF雪貂首次实现了动物模型中自发性肺部疾病、胰腺外分泌功能不全、糖尿病和肝胆受累的再现。CF大鼠（2014年）成本和繁殖时间较低，但缺乏自发性肺部疾病。CF羊（2016年）可模拟CF气道生物学，但所有CFTR敲除羊羔均出现致死性胎粪性肠梗阻。CF兔因与人类的系统发育相似性而开发，CF斑马鱼（2010年）光学透明且繁殖量大，适用于高通量药物筛选。在调节剂时代，雪貂、猪、羊和兔的CFTR对调节剂表现出更高反应性，雪貂模型已证明宫内和出生后早期调节剂治疗可挽救肠道和胰腺疾病。人源化CFTR敲入小鼠模型为变异特异性治疗反应的体内表征提供了平台。
器官芯片模型（Organ-on-a-chip models）
器官芯片（OoC）技术通过微流控平台整合多细胞结构、动态微环境和定量功能读数。CF气道芯片结合ALI分化的人CF支气管上皮细胞与流动条件下的人肺微血管内皮细胞，再现了CF气道疾病的多项特征，包括黏液积累增加、纤毛覆盖和摆动频率增加、基础IL-8分泌增强、中性粒细胞募集增加及对铜绿假单胞菌生长的易感性增加。CFTR敲除支气管上皮细胞在OoC平台中表现出促炎细胞因子释放增加和上皮-间质转化特征。然而，OoC仍存在局限性，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料吸附疏水性小分子、多孔膜与体内对应物差异、缺乏组织驻留免疫细胞群以及通量和实验室间标准化不足。OoC在CF theratyping中的角色尚待验证，目前应视为互补性实验平台。
未来展望：迈向更具预测性的实验模型（Future outlook: toward more predictive experimental models）
人群水平上，HNEC/HBEC和肠道类器官模型中的CFTR功能读数与临床药物反应相关，但无法在个体水平上准确预测临床结局。CFTR不仅是氯离子通道，还传导碳酸氢根等阴离子，碳酸氢根与黏液纤毛稳态密切相关，但相关检测尚未在临床前检测中广泛建立。此外，CFTR药物调节还影响通道功能以外的多种通路，包括上皮抗真菌干扰素组、炎症信号、脂质代谢和上皮修复。未来平台可能需要超越单一CFTR氯离子读数，转向上皮和器官健康的多维度评估。患者特异性hiPSC技术、共培养模型和lab-on-a-chip技术可能有助于评估器官间相互作用及药物治疗后的正常化。
结论（Conclusions）
基于先进细胞模型的theratyping正在改变CF药物开发的逻辑，为罕见遗传疾病的个体化医学提供了清晰范例。HNECs、HBECs、呼吸类器官和PDIOs提供互补的组织特异性信息，跨平台一致反应可增强治疗预测信心，不一致结果则可能揭示组织特异性生物学或检测局限性。在人工智能（AI）时代，机器学习模型可整合CFTR基因型、类器官肿胀动力学、Ussing chamber测量、鼻电位差、转录组学、蛋白质组学、炎症生物标志物和临床结局，为临床决策提供支持。器官芯片技术正从概念验证发展为生物学信息平台。CF建模的未来依赖于细胞模型、患者来源培养物、肠道和呼吸类器官、动物模型及OoC平台之间的多模态整合。若成功，CF theratyping将不仅改善携带罕见CFTR变异患者的治疗，还为其他罕见遗传疾病的精准医学提供可输出的范式模型。
