《International Journal of Molecular Sciences》：Human Organoids in Radiation Research: Modeling Tissue Injury, Regeneration and Therapeutic Response
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放射治疗是腹部、盆腔、胸部、头颈部及中枢神经系统恶性肿瘤治疗的核心手段之一。然而，电离辐射不可避免地损伤邻近正常组织，导致放射性肠炎、肺损伤、心脏损伤、唾液腺功能障碍及脑损伤等并发症，严重影响患者生活质量和治疗效果。传统的二维细胞培养和动物模型在
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放射治疗是腹部、盆腔、胸部、头颈部及中枢神经系统恶性肿瘤治疗的核心手段之一。然而，电离辐射不可避免地损伤邻近正常组织，导致放射性肠炎、肺损伤、心脏损伤、唾液腺功能障碍及脑损伤等并发症，严重影响患者生活质量和治疗效果。传统的二维细胞培养和动物模型在模拟人类组织辐射反应方面存在显著局限：前者缺乏三维结构和细胞间相互作用，后者存在物种特异性差异。近年来，三维类器官（organoid）技术作为辐射生物学和放射肿瘤学领域的强大平台迅速兴起。特别是来源于患者组织或诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, hiPSCs）的类器官，具有自组织能力以及接近生理状态的组织结构和功能等关键优势，极大地推动了辐射领域的深入研究。本综述系统总结了人类类器官在脑、心脏、肺、食管、唾液腺、肠道、肌肉、甲状腺、造血系统及肿瘤等领域的辐射损伤与再生研究中的应用。动物来源及组织切片模型仅作为比较或机制佐证纳入，并已明确标注。本综述重点阐述类器官在辐射损伤建模、再生机制解析、辐射防护剂与放射增敏剂筛选以及预测患者放化疗反应等方面的研究进展，并在文末集中讨论当前局限性及未来发展方向。
论文主体内容专业总结
1. 引言
电离辐射通过直接或间接途径产生活性氧（reactive oxygen species, ROS），造成DNA损伤，进而引起细胞死亡、衰老、屏障破坏及慢性炎症。长期以来，正常组织辐射损伤研究依赖动物模型，但小鼠与人类在放射敏感性、免疫反应及再生能力方面存在显著差异，限制了其转化价值。类器官作为接近生理状态的三维培养体系，能够重现器官特异的细胞组成、组织结构及部分功能，为体外研究辐射损伤与修复提供了新平台。类器官技术主要沿三条路径发展：成体干细胞（adult stem cell, ASC）来源类器官保留供体基因组，适用于正常组织毒性研究；诱导多能干细胞（iPSC）来源类器官可获取难以触及的组织（如脑、心脏）并支持基因编辑，但成熟度通常较低；患者来源肿瘤类器官（patient-derived tumor organoids, PDOs）保留原发肿瘤的基因组改变和组织学特征，可用于正常组织毒性研究及个体化放化疗反应预测。此外，表观遗传重编程、干细胞竞争及旁观者效应（bystander effects）是类器官辐射研究的三个核心机制概念。
2. 脑类器官
脑类器官为研究辐射对神经发生、突触完整性和神经炎症的影响提供了人类三维平台。研究发现，辐射后雷帕霉素或米诺环素可部分挽救神经上皮完整性、神经突生长、脑室形成及细胞外酸化率。2 Gy照射后，神经祖细胞和成熟神经元中的DNA双链断裂（DNA double-strand breaks, DSBs）大多在18小时内修复，且祖细胞修复动力学更迅速，DNA损伤修复动力学可作为正常组织放射敏感性的替代指标。质子辐射可呈时间及剂量依赖性增加DNA损伤，下调少突胶质细胞谱系、星形胶质细胞谱系、线粒体功能及细胞周期基因，上调神经元谱系、氧化应激及DNA损伤检查点基因。辐射不仅降低细胞活力，还重塑谱系轨迹，导致神经干/祖细胞耗竭、神经元身份丧失、胶质生成增强、炎症细胞因子增加以及皮层分层和突触完整性破坏。比较光子、平台质子和扩展布拉格峰（spread-out Bragg peak, SOBP）质子照射发现，SOBP质子独特地下调脑发育和突触信号基因并损害神经网络功能。多种药物如可乐定、二甲亚砜（DMSO）、抗坏血酸、NSPP及氨磺必利可减轻辐射诱导的DNA损伤、细胞死亡及小头畸形表型。脑类器官的局限性包括成熟度不足、批次间变异性大、缺乏功能性血管系统、血脑屏障及驻留免疫微环境。
3. 心脏与肺类器官
肺和心脏位于胸腔内，是胸部放疗中最常受照射的正常器官。放射性肺损伤（radiation-induced lung injury, RILI）、放射性肺纤维化（radiation-induced pulmonary fibrosis, RIPF）及放射性心脏病（radiation-induced heart disease, RIHD）是胸部放疗的主要剂量限制性并发症。无基质、自由漂浮的人肺类器官揭示了辐射后肺细胞类型间的差异性放射敏感性及衰老相关基因集。气液界面分化的原代人支气管上皮细胞在照射后类器官形成能力显著降低并持续至少7天，表明类器官形成能力是正常肺上皮辐射损伤的敏感读数。人胚胎干细胞来源肺类器官在重复照射后表现出RIPF关键特征，包括增殖受损、上皮屏障破坏、上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）、促纤维化细胞因子上调及胶原沉积；抗纤维化药物吡非尼酮可显著降低照射后转化生长因子-β（transforming growth factor-β, TGF-β）、α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）及COL1A2表达。心脏类器官照射后出现细胞死亡增加、能量代谢下降、钙瞬变改变、线粒体结构破坏及膜电位降低；脐带间充质干细胞来源小细胞外囊泡（small extracellular vesicles, sEVs）可通过调控氧化磷酸化和p53信号抑制这些效应。
4. 食管与唾液腺类器官
食管和唾液腺位于头颈部或上消化道辐射野内，是辐射损伤的常见靶器官。食管辐射暴露与急性食管炎和慢性狭窄相关，长期可增加食管癌变风险；放射性口干症是头颈放疗最常见的长期并发症之一。高传能线密度（linear energy transfer, LET）铁离子照射较铯照射引起更强烈和持久的鳞状分化改变及53BP1病灶，低剂量0.1 Gy高LET照射在仅约36%细胞被预测击中时仍引起几乎相同的形态学变化，提示旁观者效应存在。人唾液腺类器官在胶原蛋白培养条件下维持自我更新能力并更接近唾液腺组织特征；异种移植后检测到人特异性核仁和E-钙黏蛋白表达。同种异体移植小鼠唾液腺类器官可增加唾液分泌，为细胞治疗提供了临床前概念验证。
5. 肠道类器官
肠上皮更新迅速且高度放射敏感。腹部或盆腔照射可引起肠道干细胞（intestinal stem cell, ISC）耗竭、隐窝破坏及黏膜屏障丧失，导致放射性胃肠综合征。肠道类器官保留隐窝-绒毛结构和Lgr5? ISC，是研究辐射诱导肠道损伤和再生的核心模型。肝细胞核因子4α（HNF4α）被鉴定为肠道再生的关键上游调控因子。BCN057可挽救腹部照射后Lgr5? ISC、促进上皮再生并降低死亡率，但对结肠肿瘤组织无放射防护作用，提示其可改善腹部放疗的治疗比。Me6TREN通过激活β-连环蛋白信号促进ISC增殖和隐窝再生。SIRT1抑制通过增加乙酰化稳定p53，提高小鼠和人类肠道类器官照射后存活率，并将致死性照射小鼠存活率从0%提高至88.89%。间充质干细胞条件培养基通过Wnt/Notch信号上调促进ISC再增殖和受损隐窝-绒毛结构恢复。ILC来源的IL-22以STAT3依赖性方式直接靶向Lgr5? ISC，促进类器官生长和体内再生。辐射损伤后募集至ISC龛的巨噬细胞通过Nrg1和Spp1促进胎儿样重编程和上皮增殖。血管活性肠肽（VIP）通过p38 MAPK促进分泌分化并减轻辐射诱导肠道损伤。WNT4以ROR2依赖性方式负调控经典Wnt/β-连环蛋白信号，促进对称隐窝分裂。微生物代谢物I3A通过AhR/IL-10/Wnt通路促进上皮增殖。烟酰胺核糖（NR）以SIRT1依赖性方式抑制GSDME介导的焦亡。高剂量率照射后隐窝干细胞百分比降低，但总剂量>1 Gy时类器官形成电位（organoid forming potential, OFP）增加；低剂量率照射可诱导干细胞竞争。通过丙戊酸（VPA）和EPZ6438介导的表观遗传重编程及YAP信号建立了模拟损伤相关增生性隐窝再生的超类器官。人类肠道类器官对质子和光子辐射表现出不同的分子反应，γ照射诱导胎儿相关转录因子和血清素生物合成作为再生节点。IL-22水平与肠道放射敏感性相关，其净效应取决于环境、剂量、时机和靶细胞。
6. 肌肉类器官
骨骼肌相对放射抵抗，但高剂量照射仍可导致肌肉萎缩和修复受损。人PSC来源三维骨骼肌类器官（human skeletal muscle organoids, hSMOs）重现胚胎肌生成和成熟过程。2 Gy照射后，hSMOs在早期（30分钟）和中期（18小时）时间点表现出扩增、分化和修复反应缺陷，PAX7?细胞中γ-H2AX和53BP1病灶升高，至72小时下降；RNA测序揭示DNA损伤反应特征。该证据来自基于单一hPSC细胞系的一项研究，未评估肌纤维神经支配、免疫浸润及长期功能恢复，2 Gy单次照射不代表临床分割方案。
7. 甲状腺类器官
甲状腺位于头颈部辐射野内，易受辐射损伤。通过CRISPR-Cas9将甲状腺癌（differentiated thyroid cancer, DTC）相关或非相关种系PTEN突变引入健康供者hiPSC并诱导功能性甲状腺类器官，照射后PTEN WT/G132D类器官的p53网络上调强于PTEN WT/M134R，可能由AKT依赖性MDM2失活和PTEN-p53相互作用介导，解释了为何PTEN M134R是DTC易感变体。组织来源甲状腺类器官照射后，干扰素-β（interferon-β, IFN-β）信号是辐射诱导甲状腺炎症的关键介质，内在凋亡为主要死亡模式；IFN-β对凋亡具有保护作用但降低甲状腺干/祖细胞潜能。
8. 造血类器官
急性造血辐射损伤是核事故和全身照射的主要并发症。将人胚胎干细胞来源CD34?造血干/祖细胞（hematopoietic stem/progenitor cells, HSPCs）与龛相关细胞混合于GelMA水凝胶中构建三维造血类器官。GelMA通过降低细胞内ROS维持HSPC未分化状态；造血类器官表现出辐射诱导的造血细胞损伤，包括ROS增加、γ-H2AX阳性细胞百分比及凋亡百分比升高；粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor, G-CSF）补充可显著改善照射后HSPC存活和髓系再生。
9. 肿瘤类器官
肿瘤类器官在辐射研究中的应用主要包括两方面：研究肿瘤细胞辐射反应和微环境相互作用，以及预测患者放化疗反应。低剂量紫外线或X射线照射的骨髓间充质干细胞通过分泌肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和干扰素-γ（IFNγ）抑制结直肠癌细胞增殖并诱导凋亡。含微血管和小胶质细胞的血管化复杂脑类器官与胶质瘤干细胞共培养可重现胶质母细胞瘤血管共选、小胶质细胞向肿瘤相关巨噬细胞重编程及放疗后复发。结直肠癌类器官亚致死照射后增殖和干性标志物大幅降低而分化标志物保持不变；高剂量照射后，静止期后出现再生长灶，由一小群高Wnt活性细胞启动。高酸性神经酰胺酶表达与局部晚期直肠癌新辅助治疗反应不良相关；酸性神经酰胺酶敲低或抑制可增强结直肠癌细胞和患者来源类器官的放射敏感性，机制涉及PARP-1裂解和p53依赖性凋亡。IDH1突变胶质瘤类器官对放疗和vorasidenib更敏感。基于III期临床试验患者建立的直肠癌类器官活体生物库，患者放化疗反应与类器官反应高度匹配，准确率84.43%，敏感性78.01%，特异性91.97%。类器官对联合治疗的反应比单一治疗更准确地预测局部晚期直肠癌患者临床结局，发现队列和验证队列准确率分别为92.50%和93.75%。患者来源肿瘤类器官结合光学代谢成像可在单细胞水平量化治疗反应和肿瘤异质性，并前瞻性预测转移性结直肠癌患者治疗反应。头颈部肿瘤类器官生物库研究发现，仅TP53缺失不足以促进放射抵抗，而HPV 16 E6/E7通过诱导细胞周期阻滞介导放射敏感性。放疗联合光动力疗法在膀胱癌类器官中表现出肿瘤选择性细胞毒性和协同效应，并促进T细胞迁移。乳腺类器官模型发现，高乳腺密度范围内的基质硬度和X射线辐射对异常集落形成频率具有近似加性效应。
10. 结论
类器官在辐射研究中的应用涵盖三个层面：正常组织辐射损伤机制、辐射防护与增敏、患者个体化反应预测。核心优势包括来源于人体组织或iPSC并保留器官特异性细胞组成和三维结构、支持基因编辑和谱系追踪、从类器官建立到药物或辐射检测周期相对较短、PDO保留原发肿瘤基因组和转录组特征。类器官研究在辐射生物学中的关键突破包括：将辐射反应研究从二维细胞系推进至人类三维组织水平；将微环境信号纳入辐射再生研究；将表观遗传重编程、干细胞竞争和旁观者效应引入辐射生物学；将类器官反应与患者临床结局直接关联；将辐射品质、剂量率和FLASH效应与三维组织生物学整合。放射肿瘤学中的核心治疗挑战是在不遮蔽肿瘤的情况下保护正常组织。具有组织选择性的干预措施包括BCN057，其挽救正常Lgr5? ISC但不保护结肠肿瘤组织，从而在临床前模型中改善治疗比。Wnt悖论直接说明了这一问题：促再生的Wnt/β-连环蛋白激活促进正常上皮ISC再增殖和隐窝分裂，但一小群高Wnt活性细胞可在照射后启动肿瘤再生长。解决这一问题的严格方法是配对筛选来自同一患者的匹配正常组织和肿瘤类器官。现有研究在总剂量、剂量率、分割方案和评估时间方面差异很大，许多研究使用不符合临床分割方案的急性单次高剂量照射。类器官平台在高剂量率（high-dose rate, HDR）近距离放疗中可能特别有价值，结合精确剂量映射的类器官可将局部吸收剂量与空间分辨生物学反应联系起来。当前模型的主要局限包括：缺乏血管、免疫细胞和神经支配；动物来源基质如Matrigel成分不确定且具有免疫原性；培养时间和成本高；正常组织类器官辐射反应与体内发现的一致性需进一步验证；PDO预测放化疗反应的临床证据在直肠癌中最有力，其他肿瘤类型需更多前瞻性临床试验；批次间变异可能影响辐射反应读数的可重复性；实验标志物不一定反映实际组织损伤或器官功能。改进策略包括：开发含免疫、血管和神经成分的复合类器官；用胶原蛋白、合成水凝胶或患者来源基质替代Matrigel；建立配对正常组织和肿瘤类器官生物库；结合单细胞多组学、空间转录组学和代谢成像；开发自动化、微流控和高通量培养平台；推进多中心前瞻性临床试验；建立类器官辐射反应的质量控制标准和报告指南。类器官已推动辐射研究从二维细胞系迈向人类三维组织，并开始将机制发现与患者结局联系起来。最成熟且证据最充分的应用是局部晚期直肠癌放化疗反应预测，符合率超过84%，联合治疗预测超过92%；机制信息最丰富的领域是肠道类器官研究。主要知识缺口包括：缺乏血管、免疫和神经成分；基质不确定且具有免疫原性；照射方案非标准化且常不符合临床实际；供体多样性有限且外部验证不足；候选辐射防护剂是否保留肿瘤控制效果的数据稀缺。
