三维（3D）细胞培养在体外能够模拟肿瘤的空间结构，为揭示复杂的癌症生物学机制和识别肿瘤脆弱性提供了突破性的方法。3D培养能够更好地再现肿瘤的分子特征，包括癌细胞的行为以及氧气和营养物质的梯度。此外，3D培养还可以再现肿瘤的转录和表观遗传程序，包括致癌信号通路以及异常的细胞和分子过程[1]。最近在类器官技术方面的进展使得可以从患者来源的肿瘤中构建出3D细胞培养[2]。含有基质和细胞外基质成分的3D培养可能有助于深入了解癌症发生和发展的遗传机制。同时，它们还可以提供有关3D微环境对非编码RNA和mRNA基因表达模式重新编程影响的宝贵信息。3D培养的主要优势在于能够识别关键基因和蛋白质，这些基因和蛋白质有望被转化为新的癌症治疗策略。
这期特刊提供了原创研究和综述文章，涵盖了关于创新3D细胞培养和患者来源的类器官在阐明癌症发展和进展机制、药物筛选以及个性化医学应用方面的最新进展。为了鼓励读者阅读这一系列文章，我们在这里介绍了一些作者的代表性贡献。
Flores-García及其同事的综述整合了有关3D系统对乳腺癌表观遗传和转录重编程影响的现有证据[3]。通过对133项研究的系统分析，作者比较了2D和3D培养以及不同组成、硬度、孔隙率和浓度的基质所支持的多种3D平台，发现了DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质结构和非编码RNA表达的变化。研究结果表明，3D结构不仅仅是一个物理支架，还作为一种调控因子，能够改变细胞活动和表观遗传程序。一种可能的机制是激活与FAK、ILK、Rho和YAP等蛋白质相关的机械转导通路。这些通路可以改变染色质的可及性和基因表达，从而促进肿瘤细胞可塑性的变化。在表观遗传修饰方面，不同3D模型中的DNA甲基化模式存在差异。一些研究发现了特定的改变，例如miR-29c启动子的过度甲基化和HOX基因启动子的低甲基化。然而，这些改变在不同基质之间并不一致，因为Matrigel与藻酸盐基底之间的比较未显示出全身DNA甲基化模式的显著差异。相比之下，组蛋白修饰在不同3D系统（包括Matrigel和polyHEMA配方）之间表现出更一致的模式。组蛋白乙酰化和去乙酰化的变化可以改变染色质的凝缩状态，并影响与肿瘤细胞可塑性、代谢、上皮-间充质转化和治疗抵抗相关的过程。这些表观遗传改变也影响非编码RNA（包括miRNA、lncRNA和circRNA）的表达，这些RNA的表达会响应微环境的物理和生化特性，包括机械转导相关过程。球形体培养物倾向于表现出与化疗抵抗、代谢和增殖相关的改变，涉及miR-22、miR-29c和miR-29b-3p等miRNA。而在Matrigel或Geltrex中培养的细胞则表现出与形态发生和WNT及MAPK信号通路相关的miRNA表达变化，同时伴随着lncRNA（如HOTAIR-N和AFAP1-AS1）的过表达。关于circRNA的证据仍然有限，尽管一些研究表明它们在肿瘤转化过程中参与了类似ceRNA的调控网络。最后，综述指出了3D模型之间缺乏标准化是一个主要限制，这主要是由于基质物理化学性质的差异、批次间变异性以及聚合条件的不同。作者建议应报告这些变量，并系统地比较不同的3D系统，以区分与肿瘤生物学相关的表观遗传改变和由实验条件引起的改变。在这种情况下，HDAC抑制剂可能成为潜在的治疗工具，因为在不同3D模型中观察到的组蛋白修饰变化具有可重复性。
癌症类器官（或肿瘤类器官）是源自患者的3D培养物，可以模拟肿瘤生物学特性。类器官可以用作药物筛选模型，捕捉患者的反应和临床结果。在一篇原创研究中，Ali及其同事[4]描述了从经尿道前列腺切除术（TUR-P）中制备类器官的方法，传统上这种方法的成功率较低且成本较高。作者报告了一种新的方案，可以提高TUR-P标本中高级前列腺癌类器官的成功率并降低成本。他们使用TUR-P临床样本，在62.07%的情况下成功建立了类器官，并优化了方案，提高了成功率。重要的是，作者证明类器官保留了原始肿瘤的组织学和免疫组化特征以及基因组特征。STR和ddPCR分析确认了BRCA1的突变以及TP53、FOXA1和APC等关键基因的突变保持不变。此外，外显子测序显示组织和类器官之间的突变相似度平均为73.92%，TP53、PTEN、AR、BRCA1和BRCA2等关键基因的突变也得到了保留。
一个关键发现是，类器官能够预测个体对治疗的反应。类器官对多西他赛的敏感性与临床反应一致，体现在前列腺特异性抗原（PSA）的下降上。值得注意的是，类器官中的治疗抵抗性与患者中的PSA升高相对应，评估的病例中这一点得到了验证。关于未来展望，作者提出了以下观点：(i)需要优化培养方法以适应常规临床使用；(ii)需要扩大患者样本量以验证预测的准确性并提高类器官预测的成功率。总之，研究结果与临床结果一致，支持其在个性化治疗决策中的应用。
3D器官型培养模型还可以模拟上皮的分层和分化，为体外研究癌症进展提供了有用的系统。在人乳头瘤病毒（HPV）相关的口咽癌研究中，这些模型尤为重要，因为缺乏明确的前体病变，且早期样本难以获得。在一篇原创研究中，Avila Tejeda及其同事[5]开发了一种三维器官型筏状培养模型，用于研究与人乳头瘤病毒16型（HPV16）相关的口咽鳞状细胞癌（OPSCC）的进展。利用HPV16转染的人扁桃体角质形成细胞，作者生成了分层的上皮组织，并研究了连续传代过程中的变化。该模型模拟了HPV16转染的口腔上皮从癌前状态向恶性表型的进展。随着传代次数的增加，筏状培养物表现出上皮结构和分化的逐渐受损，以及HPV16病毒滴度的下降和病毒基因组的逐渐整合。这些变化伴随着分化标志物（如K8和p16）的表达改变，以及p53和pRb的表达下降。此外，还观察到p120表达的丢失和COX5B表达的增加。重要的是，这些表达模式与HVP相关OPSCC组织中的报道一致。总体而言，这项研究表明，器官型筏状培养系统可以在体外再现HPV16相关OPSCC的重要特征。因此，该模型可能有助于研究疾病的早期和中间阶段，并识别潜在的生物标志物和治疗靶点。
源自患者的肿瘤标本是功能精准肿瘤学中的宝贵工具，可以直接从患者样本中评估治疗反应。这种工具可以捕捉对治疗的表型和分子反应，包括微环境相互作用和药物协同作用，从而识别肿瘤的脆弱性。这些方法对于罕见恶性肿瘤尤为重要，因为这些肿瘤的临床样本有限，且缺乏有效的治疗策略。在一篇原创研究中，Schneider及其同事研究了体外肿瘤标本培养，以识别纤维层状癌（FLC）的治疗脆弱性，这是一种主要影响青少年和年轻人的罕见原发性肝癌[6]。利用患者来源的肿瘤样本，作者建立了一个基于3D标本培养的功能精准肿瘤学平台，评估了对多种抗癌药物及其组合的反应。这种方法能够直接从患者肿瘤标本中评估药物敏感性，并为个体肿瘤提供功能反应谱。作者分析了41个FLC样本，评估了24种治疗药物的活性，发现了一些化合物的差异反应。在测试的化合物中，vorinostat、phenformin和6-diazo-5-oxo-L-norleucine在体外试验中显示出较高的活性，而几种药物组合（包括吉西他滨加奥沙利铂和5-氟尿嘧啶加干扰素）显示出增强的效果。此外，代谢组学分析揭示了与线粒体功能障碍和多胺代谢相关的改变，提供了关于治疗反应代谢特征的额外信息。总体而言，这项研究表明患者来源的肿瘤标本模型作为研究罕见癌症治疗反应的功能平台具有实用性。尽管需要进一步的临床验证，但这些发现支持使用体外方法来识别纤维层状癌的治疗脆弱性并评估潜在的个性化治疗方案。
总之，器官型3D细胞培养和类器官对于理解癌症生物学机制和开发新的治疗策略至关重要。本期特刊中呈现的实验发现、综述和观点可能会推动肿瘤学的发展，并激励未来的研究、学者和科学家。
