《Investigational New Drugs》：Patient-derived tumor organoids for new drug development: promises and challenges
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本文系统性探讨了患者来源肿瘤类器官（PDTOs）作为新型临床前模型在肿瘤研究中的应用，总结了其在药物靶点识别与验证、药物筛选与评估、生物标志物预测、药物适应症拓展以及药物作用与耐药机制研究中的重要作用，并分析了其当前面临的缺乏标准化培养体系、缺乏脉管系统和肿瘤微环境等挑战与未来发展方向。
在癌症研究和治疗领域，抗肿瘤药物的开发长期以来受到研发周期长、体内外药效差异大以及个体间疗效不一等诸多不利因素的掣肘。患者来源肿瘤类器官（Patient-derived tumor organoids, PDTOs）作为一种新兴的三维体外培养模型，为这一困境带来了变革性的希望。它们源自患者肿瘤组织，能够在体外自组装形成微观器官结构，被证实能够忠实地重现原发肿瘤的生物学和分子特征，并保留其肿瘤异质性，因而在药物筛选和新药开发方面展现出巨大潜力。以下将从其类型、在药物研发各环节的应用以及面临的挑战等方面，对这一领域进行梳理。
类器官主要来源于两类干细胞：成人干细胞（Adult stem cells, ASCs）和多能干细胞（Pluripotent stem cells, PSCs）。ASCs来源的类器官依赖于培养基中模拟正常干细胞稳态的生长因子混合物来支持；而PSCs来源的类器官则通过模拟胚胎发育过程中细胞信号传导的顺序添加生长因子，实现逐步分化。尽管两者在肿瘤建模中存在差异，例如PSCs来源的类器官通常缺乏在培养中重现的获得性癌症基因突变，但它们是互补的，共同为理解肿瘤发生和发展的全过程提供了新的视角。近年来，已成功建立了来自多种实体肿瘤的大型PDTOs活体生物样本库，为转化研究提供了宝贵平台。
PDTOs在新药研发中的应用
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新型药物靶点的识别与验证
类器官能重现原始组织的基因组改变、分子特征和异质性，使其成为识别潜在治疗靶点的宝贵工具。例如，基于胰腺类器官模型的研究发现，KRAS突变可诱导巨噬细胞产生促肿瘤表型。在结直肠癌（Colorectal cancer, CRC）类器官中，超长靶点驻留时间的p38α抑制剂（ULTR-p38i）显示出强大的治疗效果。通过CRISPR/Cas等技术对类器官进行基因编辑，进一步为治疗靶点的验证提供了有力手段。
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药物筛选与评估
类器官技术可用于构建多种肿瘤类器官，以筛选和评估不同的抗肿瘤药物。例如，从原发性肝癌建立的类器官已被用于生物标志物鉴定和药物筛选，从而确定ERK抑制剂SCH772984为有前景的治疗药物。在胰腺导管腺癌（PDAC）类器官中，针对靶点DCLK1的抑制剂显示出显著抑制效果，而这在二维细胞系中并不明显。更有里程碑意义的是，通过对患者来源的CRC类器官进行筛选，从超过500种双特异性抗体中鉴定出了能有效抑制CRC类器官生长并防止转移的EGFR×LGR5双特异性抗体MCLA-158，这为基于类器官的药物发现奠定了基础。
此外，将肿瘤类器官与基质细胞、免疫细胞等非肿瘤细胞类型进行共培养，可用于评估免疫治疗药物或能增强免疫细胞杀伤效果的药物。例如，基于乳腺癌类器官与肿瘤特异性细胞毒性T细胞的功能相互作用进行高通量筛选，鉴定出能增强抗原呈递和T细胞介导的细胞毒性的表观遗传抑制剂+ T cells. Tumor organoids are generated by breast cancer-associated fibroblasts (CAFs) and MDA-MB-468">。
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诊断生物标志物的预测
鉴于PDTOs能维持原始肿瘤的基因组图谱和异质性，它们已成为预测药物疗效和识别潜在诊断标志物的强大体外模型。基于唾液腺肿瘤类器官库，PTP4A1被证明是粘液表皮样癌的有用诊断生物标志物。在肺神经内分泌肿瘤PDTOs的研究中，ASCL1被确定为BCL-2抑制剂治疗反应在大细胞神经内分泌癌中的潜在生物标志物。
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药物适应症的拓展
PDTOs还可用于检测已获批或处于临床试验阶段的药物，以拓展其治疗适应症。例如，利用胰腺癌类器官从约6000种FDA批准的化合物中筛选显著干扰类器官生长的化合物，最终鉴定出抗心绞痛药物马来酸哌克昔林，它能够抑制携带KRASG12D突变的类器官和原代人PDAC类器官的生长并诱导细胞死亡。基于大规模的原发性胃癌类器官生物样本库药物筛选，也揭示了对近期获批或在研药物（如Napabucasin、Abemaciclib和ATR抑制剂VE-822）的敏感性。
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药物作用机制与耐药性研究
结合转录组学、蛋白质组学、单细胞转录组学等高通量测序技术，类器官技术可用于从分子到细胞水平研究药物的作用机制。例如，基于结直肠癌类器官的药物再利用筛选和机制分析，通过详细的药物反应转录组分析，将药物反应特征分为诱导分化、生长抑制、代谢抑制、免疫反应促进和细胞周期抑制等五种代表性模式。
耐药性是癌症治疗中不可避免的问题。PDTOs可用于研究耐药机制，从而为耐药患者提供潜在的治疗靶点和预测性生物标志物。它们也被用来构建原发性耐药和获得性耐药模型。研究已成功建立奥沙利铂耐药的CRC类器官模型，并在单细胞RNA测序水平揭示了几个潜在的耐药驱动基因和转录因子。基于肺癌类器官的研究，揭示了腺-鳞状转化在KRAS抑制剂耐药中的作用。此外，根据类器官代谢组学特征，PDAC类器官被分为高葡萄糖代谢型和高脂质代谢型，这不仅揭示了与化疗敏感性差异相关的潜在代谢异质性，也为高葡萄糖代谢水平的化疗耐药患者开发了有前景的药理学策略。
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药代动力学和药效学研究
药代动力学测试是药物开发的关键。动物体内进行的药代动力学和药效学分析通常无法反映药物在人体内的情况。有研究报道了一种包含肝脏、心脏的器官芯片系统，并观察到药物反应依赖于组织间的相互作用。另一项研究通过流体耦合肠道、肝脏和肾脏的器官芯片模型，创建了人体药物吸收、代谢和排泄的首过模型。值得注意的是，由诱导多能干细胞（iPSCs）生成的肠道类器官被检测出具有药代动力学功能，其中药物转运蛋白的表达、通过ABCB1/MDR1的外排转运活性以及通过核受体配体诱导的药物代谢酶CYP3A4均被鉴定。因此，肠道类器官可作为药物开发研究中的药代动力学评估系统。
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药物毒理学检测
类器官模型可用于研究药物毒理学，探索药物诱导的细胞毒性和细胞死亡的机制，并揭示药物对特定细胞类型和细胞死亡途径的选择性毒性作用。已有研究基于健康小肠和结肠类器官探索吉非替尼诱导的毒性，并在转录组水平分析了其分子机制。此外，也利用小肠和结肠类器官在转录组和蛋白质组水平研究了与多柔比星诱导的肠道毒性相关的分子机制。重要的是，来自原代肺泡上皮细胞的人支气管肺泡类器官可用于模拟肺上皮，并在早期评估与抗体-药物偶联物相关的脱靶毒性。
挑战与展望
尽管肿瘤类器官技术已广泛应用于药物筛选和开发，但仍面临一些挑战。首先，目前虽然已建立了十几种PDTO培养方案，但针对特定癌症类型仍缺乏标准化的培养系统和流程，这给PDTOs的可重复性和大规模应用带来了困难。近期研究尝试通过3D生物打印技术改进类器官的规模和质量控制，以实现其在药物筛选和开发中的转化应用。
其次，PDTOs缺乏脉管系统和完整的肿瘤微环境。人体内的血管系统在支持肿瘤生长和转移中扮演重要角色。然而，PDTOs中缺乏完整的血管网络结构，限制了营养物质和氧气向类器官内部细胞的供应，导致细胞活力差甚至凋亡。近期研究利用明确定义的水凝胶系统生成了共培养模型，以模拟和表征肝细胞癌与内皮细胞之间的血管分泌相互作用。作为PDTOs未来的重要发展方向之一，共培养模型为研究肿瘤细胞与各种免疫细胞之间复杂的相互作用、理解癌症生物学和促进免疫治疗策略的开发提供了一个有前景的实验平台。
美国食品药品监督管理局（FDA）新法案的批准预示了PDTOs将更广泛地用于药物筛选和新药开发。此外，器官芯片技术已被应用于类器官，以实现更接近体内组织状态的生理或病理模型系统。未来，有望通过整合肿瘤实质细胞、肿瘤微环境以及血管和免疫细胞网络，建立一个基于PDTOs的、能模拟生理条件的模型系统。
