《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Personalized pharmacokinetic–pharmacodynamic guided therapy via an induced pluripotent stem cell–derived multi-organoid platform in NF1-mutant breast cancer
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针对NF1突变乳腺癌治疗缺乏精准预测模型、常规疗法易产生耐药等问题，研究人员开发了基于患者iPSC来源肠、肝、肾多器官类器官网络平台（NOCS），结合反义寡核苷酸（ASO）介导的外显子跳跃疗法，通过PK/PD建模筛选出Paxalisib，验证了其联合疗法在患者来源肿瘤模型中的协同抗癌疗效，为将多器官PK/PD模型与基因型驱动治疗策略整合的临床转化框架奠定了基础。
在精准医疗的时代，如何为每一位癌症患者“量身定制”高效且安全的治疗方案，一直是科学家们努力攻克的难题。其中，携带特定基因突变的肿瘤尤为棘手。以乳腺癌为例，一种名为神经纤维蛋白1（NF1）的基因发生突变时，会持续“激活”细胞内的致癌信号通路，导致肿瘤变得更具侵袭性，并且对许多靶向治疗药物产生“耐药性”，让治疗陷入困境。更关键的是，一个新药在进入人体前，其吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程以及在目标器官中的实际效果，难以在传统模型中精准预测。这就好比为一座复杂的城市交通网络设计一条最优路线，却缺乏一个能同时模拟道路、车流、天气和突发状况的动态沙盘。
为了破解这个难题，并真正迈向“一人一策”的个体化治疗，一项发表在《Signal Transduction and Targeted Therapy》的研究构建了一个革命性的“人体沙盘”模型。研究人员从一位携带NF1突变的乳腺癌患者的正常细胞出发，将其“时光倒流”重编程为诱导多能干细胞（iPSC），再将这些万能细胞分别诱导成肠、肝、肾三种关键器官的类器官。这些类器官并非独立存在，而是被整合进一个名为网络化类器官培养系统（NOCS）的微流控平台中，让它们能像在真实人体内一样，通过循环的“血液”（培养基）进行交流。同时，研究人员还构建了来自同一位患者的肿瘤模型。这个集成了患者自身遗传背景的多器官“替身”平台，首次实现了在体外对药物进行个体化的药代动力学/药效学（PK/PD）全流程评估。
为了开展这项研究，研究人员运用了几个关键技术方法：首先，从一位NF1突变乳腺癌患者（患者1）及其匹配的正常组织中获取样本，并利用韩国忠南大学医院的生物样本库资源建立患者队列模型。其次，通过体细胞重编程技术，从患者的正常细胞中成功建立并表征了iPSC系。第三，利用定向分化技术，从这些患者特异性iPSC中生成了功能化的肠道上皮（hIECs）、肝脏（DhLOs）和肾脏（hKORTECs）类器官模型。第四，设计并优化了靶向NF1突变位点的反义寡核苷酸（AON）以及基于U7小核RNA（snRNA）的慢病毒系统，以实现长期的基因矫正（外显子跳跃）。最后，自主设计并构建了NOCS微生理系统，将上述多器官类器官与患者肿瘤模型进行流体力学整合，用于模拟系统性的药物ADME过程和评估治疗反应。
研究结果
携带NF1突变的乳腺癌患者来源iPSC系的建立
研究人员从患者生物样本库中筛选出患者1，其肿瘤携带NF1基因第2外显子的移码突变（c.165_166insCT）。数据分析显示，NF1突变与乳腺癌患者更快的转移复发和更差的疾病特异性生存相关，且NF1突变细胞对多种抗癌药物表现出耐药性。成功从该患者的正常组织成纤维细胞中建立了iPSC系，该iPSC携带相同的种系NF1突变，并具有正常的核型和多能性，可用于后续疾病建模。
从患者1和健康对照iPSC生成用于药物吸收的肠道类器官（hIECs）
从正常和患者iPSC成功分化出了具有肠绒毛样结构的极化肠道上皮模型。与正常模型相比，患者来源的hIECs表现出更高的跨上皮电阻（TEER）值和更低的被动渗透性，表明紧密连接完整性增强。在药物转运蛋白表达方面，患者hIECs中OATP1A2（摄取）和MRP3（外排）的表达显著上调，这可能影响特定药物的吸收和处置。
从患者1和健康对照iPSC生成用于药物代谢的肝脏类器官（DhLOs）
成功生成了肝脏类器官。值得注意的是，患者来源的DhLOs出现了间质样细胞，并表现出上皮-间质转化（EMT）特征，如上皮标志物表达下降、间质标志物表达上升。功能上，患者DhLOs的白蛋白分泌减少，肝损伤标志物（ALT、AST）升高，关键的细胞色素P450（CYP）酶活性和药物诱导响应能力普遍降低，并且胆汁 canaliculi 样结构发育异常，药物转运蛋白的定位也发生紊乱。这些结果表明NF1突变导致患者肝脏类器官出现功能缺陷和异常表型。
从患者1和健康对照iPSC生成用于药物重吸收的肾小管上皮（hKORTECs）
成功建立了具有顶-基底极性的肾脏类器官模型。患者来源的hKORTECs显示出更高的TEER值和更紧密的上皮屏障。功能实验证实了其具有活跃的巨蛋白（megalin）介导的内吞作用和MRP2/4介导的外排转运功能，并且能够模拟OCT2介导的顺铂肾毒性。该模型适用于个性化的肾脏重吸收和排泄研究。
患者1来源原代细胞的分子特征及NF1外显子跳跃治疗潜力
建立了患者肿瘤和正常组织的3D原代细胞球模型，其保留了原始组织的细胞组成和遗传特征（包括NF1、PIK3CA、ERBB2突变）。肿瘤细胞中Ras、PI3K-AKT、MEK-ERK信号通路持续激活。为纠正NF1突变，研究人员设计了靶向第2外显子的AONs。其中，AON12在体外可有效诱导外显子跳跃。为了获得长效效果，构建了表达AON的慢病毒U7-snRNA系统（lenti-U7-AON2/12），该系统能在患者肿瘤细胞中实现持续、高效的NF1外显子跳跃，恢复NF1蛋白表达，并抑制下游PI3K-AKT信号通路。
用于PK/PD评估的NOCS平台
研究团队开发了NOCS平台，这是一个半开放循环的微流体系统，可集成肠、肝、肾类器官并进行液体循环交换。相较于之前的封闭系统，NOCS能更好地模拟体内药物清除过程。平台运行稳定，器官在系统中可保持至少4天的良好形态和活力。
利用NOCS平台对患者1进行精确PK分析
转录组分析表明，iPSC来源的类器官在61个关键药物转运蛋白基因的表达谱上，与对应的人体组织具有高度相似性。基于患者的基因突变图谱，研究人员聚焦于靶向PI3K-mTOR通路的双抑制剂。通过NOCS平台筛选了8种候选药物，评估其肠道吸收和肝脏代谢情况。结合体外和体内小鼠PK数据，最终将口服药物Bimiralisib和Paxalisib，以及静脉药物Gedatolisib作为重点。PK分析显示，Paxalisib在患者NOCS中表现出最高的口服暴露量（AUC）和最有利的药代动力学特征，被选为最具潜力的口服候选药物。
利用NOCS平台对患者1进行组合疗法PD评估
在NOCS平台中评估了Paxalisib对各器官类器官的潜在毒性，发现其对肠道和肾脏的屏障完整性有轻微影响，但细胞活性未受显著影响。将Paxalisib与lenti-U7-AON2/12（介导NF1外显子跳跃）联合治疗应用于整合了患者多器官类器官和肿瘤模型的NOCS中。结果显示，联合疗法能协同抑制肿瘤细胞活力，降低增殖标志物Ki-67表达，增加凋亡标志物cleaved Caspase-3表达，并更强地抑制PI3K-AKT-mTOR信号通路。这些NOCS内的发现，在患者肿瘤异种移植小鼠模型中也得到了验证，联合治疗显著抑制了肿瘤生长，且未观察到明显全身毒性。
研究结论与意义
本研究成功建立并验证了一个患者特异性的、iPSC衍生的多器官类器官平台（NOCS），它能够在一个动态的、生理相关的微环境中，整合模拟药物吸收、代谢、排泄和肿瘤反应的全过程。该工作不仅为NF1突变乳腺癌提供了新的治疗见解——即结合基因矫正（AON介导的外显子跳跃）与靶向小分子药物（Paxalisib）的协同策略，更重要的是，它构建了一个强大的临床前研究框架。这个框架首次实现了在患者自身遗传背景下，对系统性的PK/PD进行个体化建模和精准治疗筛选。尽管当前研究基于单个病例，且平台尚未包含血管和免疫系统等复杂成分，但其模块化设计展现出巨大的扩展潜力。NOCS平台代表了个体化肿瘤治疗和药物开发领域的一项重要技术进步，为未来实现真正的“量身定做”式精准医疗提供了有力的工具和方向。
