源自患者的类器官模拟了转移性胃肠道癌的治疗反应
（吴春玥级研究生郭春明组）
一、文章介绍
GeorgiosVlachogiannis等人于年2月23日在Science期刊上发表了题为“Patient-derivedorganoidsmodeltreatmentresponseofmetastaticgastrointestinalcancers”的文章。本文建立和表征患者来源的类器官（PDO）的生物库，并研究PDO重述临床中观察到的对化学疗法和靶向药物的离体反应的潜力。二、研究背景
精准医疗（PrecisionMedicine）是一种将个人基因、环境与生活习惯差异考虑在内的疾病预防与处置的新兴方法。精准医疗的实质包括精准诊断和精准治疗两方面，目前运用测序和建立小鼠模型的方式完成精准医疗。有研究表明LGR5+干细胞可以从许多器官中分离出来，并在体外以类上皮器的形式增殖，以研究生理和肿瘤转化。大多数关于人类结直肠癌(CRC)类器官的研究都是在来源于原发肿瘤的培养物上进行的，而来自转移癌部位的PDOs的例子很少。源于患者转移性癌建立的类器官（PDOs）最近已成为强大的临床前模型，但其预测患者临床结局的潜力仍不清楚。三、主要内容
本研究中提出的PDOs来自超声(n=20)、CT(n=7)或内窥镜(n=2)，包括转移性结直肠癌(mCRC；n=16)、转移性胆管细胞癌(mGOC；n=4)和转移性胆管癌(n=1)。在一些病例中，PDOs是根据治疗前(BL)、治疗时最佳反应时间[局部反应(PR)或病情稳定(SD)]、疾病进展(PD)以及多区域活检建立的。1、对类器官进行功能基因组学分析
对类器官进行的分析有高通量测序，免疫组织、组织病理学，基因表达，蛋白质分析，突变分析等，得出以下结果：PDOs与相应患者活检组织在形态上相似；保留了亲本肿瘤的表达模式；与其对应的活检组织之间有96％的突变谱重叠；分子特征随时间推移显示稳定。2、测试PDOs作为药物筛选的可行性
研究人员对类器官进行药物筛选，测试使用源于转移性癌建立的PDOs作为药物筛选工具的可行性，并通过对比PDOs中几个基因型与相应的药物表型来验证此筛选方法的稳定性。研究者进行了三维(3D)筛查分析，使用处于1-3期临床试验或在临床实践中的55种药物，进行CellTiterBlue荧光分析测定细胞活性。图一：类器官药物筛选结果。
为了测定该测定方法的稳定性，比对了几组类器官基因型和药物筛选结果表型是否一致。
实验结果显示，PDO的表型和基因型图谱显示与原始患者肿瘤高度相似。肿瘤类器官的分子谱分析与药物筛选结果相符，表明PDO可以补充现有方法来定义癌症易感性并改善治疗反应。3、检测类器官的临床预测价值
在对PDOs进行了分子和功能表征之后，研究人员用收集在类器官中的体外反应数据对患者观察到的21项临床反应进行了比较，检验临床预测价值。3.1类器官和临床上对Paclitaxel反应对比
比较紫杉醇敏感患者(F-)治疗前后建立的PDOs以及紫杉醇耐药患者肝转移建立的PDOs对紫杉醇的反应。紫杉醇类是转移性胃癌的二线治疗选择。细胞周期分析显示，在预处理的F-PDOs中，紫杉烷处理后有明显的凋亡和G2期阻滞，而在癌症进展中建立的PDOs中没有观察到显著的差异。同样，紫杉醇在预处理的F-PDOs中诱导浓度依赖的DNA损伤、有丝分裂阻滞和凋亡，但对癌症进展(因此是耐药的)PDOs的影响要弱得多。F-是对紫杉醇敏感的患者，治疗前，抑制癌细胞生长50%的浓度大概是2.5nM，治疗后大概为10nM，有4倍之差。对紫杉醇有耐药性的患者建立的PDO也表现相同的反应曲线。与二线治疗观察到的数据一致，在从接受一线治疗的化疗敏感和化疗耐药的mGOC患者收集的PDOs中，观察到5-fluorouracil和cisplatin联合治疗的GI50相差约10倍，强调了PDOs在未满足需求的癌症治疗选择方面的临床潜力。图二：基于PDOs的mGOC和mCRC的体外联合临床试验。（A）在临床中，对来自患者F-的BL和PDPDOs和来自对紫杉醇具有原发性（F-）或获得性（F-）耐药性的患者的PDOs中的紫杉醇治疗后的细胞生存力进行了比较。（B）用抗EGFR单抗西妥昔单抗治疗患者的BL(C-和C-)和PD(C-和C-)活检组织建立PDOs。3.2类器官和临床上对cetuximab反应对比
比较五个PDOs及其各自患者对抗EGFR治疗（cetuximab）的反应来测试mCRC中PDOs的预测价值。
观察用西妥昔单抗治疗前后的患者活检建立的PDO对西妥昔单抗浓度反应。C-和C-无反应，与在临床上这两名患者中观察到的对cetuximab的耐药性保持一致。其他相应反应结果都和临床上观察的结果一致，从而突出了PDOs比单纯的分子病理学更好地预测临床结果的潜力。
3.3测定PDO重述对regorafenib反应
Regorafenib是一种阻滞致癌和阻止血管生成的抑制剂，可以用于抗EGFR治疗过的转移结肠直肠癌患者的治疗。在3D体外筛查试验中，没有观察到对regorafenib的反应，这一观察结果与PROGISE-R试验的临床结果一致，表明对regorafenib的反应主要是由其抗血管生成作用驱动的。为匹配临床上和PDOs对regorafenib的反应，将PDO植入NSG小鼠的肝脏中建立基于PDO的肝脏原位异种移植肿瘤小鼠模型。比较一名对PDO异种移植物有原发耐药(R-；n=11)的患者和一名对regorafenib(R-；n=6)有持久反应的患者对regorafenib的反应。与临床反应一致，CD31免疫染色显示，regorafenib敏感患者（R-）的PDO异种移植物的微血管明显减少；而耐药患者（R-）没有明显变化。为模拟临床，研究者在治疗前后对有反应的患者(R-；n=10)的PDO异种移植物进行了功能性磁化率对比磁共振成像(MRI)。药敏对比MRI显示regorafenib治疗的小鼠的肿瘤分数血容量（fBV）显着降低。与临床数据一致，微血管变化指示的反应似乎与肿瘤体积的变化无关。三种不同的组织病理学生长模式(HGP)[促结缔组织增生型HGP、推进型HGP和替换型HGP]与抗血管生成药物的反应程度不同有关。在R-耐药组中替换型HGP占主导地位，表明血管选择可能是对regorafenib产生主要耐药性的机制。3.4测试PDOs捕获肿瘤演变的能力
为了测试PDOs捕捉肿瘤演变和获得耐药性的能力，将源于mCRC的R-患者对regorafenib治疗前后（BL/PD）的PDO注射到小鼠中，进行动物实验。将小鼠随机分配为对照组和治疗组，治疗组用regorafenib治疗10天，治疗后，进一步随机分组，进行组织病理学分析和生存分析。与临床结果一致，CD31免疫染色显示，在BLPDO-异种植物中，regorafenib使微血管减少了约60%(P=0.)，而在PDPDO-异种移植物中没有明显变化。更重要的是，regorafenib治疗在携带BLPDOs异种移植的小鼠中提供了选择性存活的益处，证实了PDOs的预测价值及其在治疗后反映癌症演变的能力。图三：接受瑞格非尼治疗的多发性结直肠癌患者在BL、SD或PD处接受活检。早期(15天)功能成像(DCE-MRI)参数减少与CD31染色评估的微血管改变和瑞格拉非尼(右)的临床益处相关。箭头表示结直肠癌转移；KTRANS，容量转移常数。
3.5测试PDOs在治疗中获得耐受性的能力
研究人员比较使用TAS-（三氟尿苷和胸苷磷酸化酶抑制剂替吡啶的组合）治疗的四个不同患者的六种类器官对TAS-的临床和临床前反应。最初，在一位患者(R-)的PDOs中测试对TAS-的反应，其中一个肝转移瘤(第5段)病情稳定，另一个肝转移瘤(第2段)进展迅速，此现象突出PDOs概括患者内异质性的能力。将TAS-敏感性分析扩展到其他三名患者的PDOs，与先前的数据一致，在对TAS-做出反应已达到稳定疾病的患者中，PDO对低微摩尔浓度的TAS-敏感，而在耐药的PDO中没有观察到对细胞活性有明显的影响。说明这些类器官在药物治疗过程中已经产生了耐受性。图四：TAS-反应性和难治性患者的PDO中的细胞活力（左）和TK1mRNA表达（右）。
总体而言，对于文献中分析的PDOs，研究发现有%的敏感性、93%的特异性、88%的阳性预测值和%的阴性预测值（预测患者对靶向药物或化疗的反应）。实验数据表明，PDOs可以被用于功能基因组学，以模拟体外的癌症行为，并将分子病理学整合到早期临床试验的决策过程中，完善精准医疗。四、问题思考
1、三种不同的组织病理学生长模式(HGP)与抗血管生成药物的反应程度不同有关，这三种模式分别与什么相关？2、本实验的研究结果是否适用于其他的癌症行为，实际临床应用时需多加考虑什么问题？原文链接：