《npj Biomedical Innovations》：Accelerating personalized medicine: miniaturized patient-derived organoid drug screening for predicting cancer treatment responses and beyond
编辑推荐：
为解决患者来源类器官(PDO)药物筛选样本需求量大、周期长、限制临床应用的问题，本研究利用Yamaha Cell Handler?(YCH)自动化平台，优化了微型化PDO筛选方法。研究表明，使用仅10个PDO/孔即可获得与传统方法一致的药物反应结果，并与患者临床预后显著相关。该技术显著减少样本需求与周转时间，为临床快速个性化癌症治疗预测提供了高效平台。
在肿瘤学领域，寻找更有效的治疗方法一直是一项核心挑战。传统的二维细胞系模型常常无法准确模拟人体内复杂肿瘤的微环境和异质性，导致在实验室中看似有效的药物，在临床应用中却效果不佳，或是无法预测哪些患者能从特定疗法中获益。于是，科学家们开发出了更先进的临床前模型——患者来源类器官(Patient-derived organoids, PDOs)。PDOs是从患者肿瘤组织中提取的细胞，在体外三维培养形成的、能够自我组织的微小结构，它们保留了原发肿瘤的遗传和病理特征，被认为是预测个体化治疗反应的有力工具。
然而，理想很丰满，现实却很“骨感”。要将PDOs药物筛选技术真正应用于临床，为癌症患者快速制定个性化治疗方案，还面临着巨大的技术瓶颈。当前标准的PDO药物筛选流程，通常需要将数百个类器官接种到一个微孔板的小孔中，才能进行可靠的药效评估。这意味着，从获取患者微小活检组织开始，研究人员需要花费数周甚至数月的时间，在实验室中“精耕细作”，培养出足够数量的PDO，然后才能开始测试药物。这个漫长的周转时间(Turnaround Time, TAT)对于许多需要尽快开始治疗的癌症患者（例如转移性结直肠癌患者）来说，是难以承受的等待。因此，如何大幅减少每次药物筛选所需的PDO数量，从而缩短从活检到获得药敏结果的总时间，是实现PDO技术临床转化的关键。
为了突破这一瓶颈，一支研究团队在《npj Biomedical Innovations》杂志上发表了一项重要研究。他们巧妙地利用一台名为Yamaha Cell Handler?(YCH)的自动化细胞处理系统，开发并优化了一套微型化、自动化的PDO药物筛选平台。YCH本质上是一个“智能分选机器人”，它能够通过明场成像识别、测量单个PDO，然后像“抓娃娃机”一样，精确地将符合条件的PDO“抓取”并“放置”到药物筛选板的指定孔中。这项研究的核心目标，就是利用YCH的高精度操控能力，将每次药物测试所需的PDO数量从数百个减少到个位数，同时确保筛选结果的准确性和可靠性，并验证其预测患者临床结局的能力。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 1.
Yamaha Cell Handler?(YCH)自动化平台：用于精确识别、挑选和转移单个PDO。研究优化了其工作流程，包括源板中PDO的接种密度、转移效率（测试了每孔转移1、2、5、10个PDO），并实现了单次吸头可同时转移3个PDO以提升效率。
- 2.
患者来源类器官(PDO)培养与处理：研究使用了26例转移性结直肠癌(metastatic Colorectal Cancer, mCRC)患者的PDOs。在药物处理前，对PDOs进行尺寸筛选（如20-100微米）并用NucBlue染色进行标准化。
- 3.
微型化药物筛选与多模态检测：在384孔板中进行药物处理，比较了不同PDO数量（5 vs. 10 vs. 250个/孔）下的筛选效果。药效检测摒弃了传统的ATP检测法(CellTiter-Glo)，转而优化并采用了基于图像的CyQUANTTM细胞增殖检测法，该法通过荧光DNA染料特异性标记活细胞DNA，可进行图像（测荧光强度和总面积）或酶标仪读数，研究证实图像法在低PDO数时具有更优的检测窗口和质量。
- 4.
数据分析与临床关联：利用药物反应曲线下面积(Area Under the Curve, AUC)量化PDO的药物敏感性。将PDO对5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil, 5-FU)和奥沙利铂的体外反应数据，与对应患者的无进展生存期(Progression-Free Survival, PFS)、总生存期(Overall Survival, OS)以及肿瘤病灶大小变化等临床指标进行统计学相关性分析。
研究结果
1. 微型化平台工作流程的优化
研究人员首先系统性地优化了YCH平台的每个步骤。他们确定了在源板中接种2000个PDO/孔为最佳密度，既能保证有足够多符合条件的PDO可供挑选，又能避免单个微网格内出现多个PDO相互干扰。在转移步骤，他们发现每孔转移5个或10个PDO时，转移效率稳定在80-100%，且变异性低于转移1或2个PDO。同时，他们优化了目的板中的细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)浓度，确定使用5%的ECM既能支持PDO的良好生长和功能，又能有效防止PDO在孔内聚集。
2. 检测方法的优化与比较
在检测方法上，研究比较了传统的CellTiter-Glo（检测ATP）和CyQUANTTM（检测DNA）两种读数方式。当使用低数量PDO（如10个/孔）时，CellTiter-Glo的检测信号窗口很小，难以区分有效药物处理。而基于图像的CyQUANT检测（测量荧光强度或PDO总面积）则表现出更优的检测质量和区分度。进一步的优化发现，排除掉小于40微米的过小PDO，仅挑选40-100微米大小的PDO，即使每孔只种5个，也能获得与每孔种10个（20-100微米）相当甚至更优的检测质量。最终，确定每孔接种10个PDO（尺寸20-100微米）并使用CyQUANT图像荧光强度读数，为最优方案。经计算，此方案所需的PDO输入材料仅为传统方法（250个PDO/孔）的0.5%-5.3%，减少了超过96%。
3. 平台验证：捕捉肿瘤异质性及已知生物标志物
研究验证了该微型化平台的能力。通过分析单个PDO对药物5-FU的反应，他们发现有的PDO模型反应均一，有的则出现两个不同反应强度的群体，表明该平台能够揭示PDO群体内在的药物反应异质性，这对应了肿瘤的异质性特征。同时，研究测试了表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor, EGFR)抑制剂帕尼单抗(Panitumumab)对两种不同基因型PDO的作用：一种是BRAF和KRAS野生型(WT)，另一种携带BRAF V600E突变。结果与临床认知一致，野生型PDO对药物敏感，而BRAF突变型PDO表现出耐药性。这证明微型化平台能够准确捕捉基于已知基因生物标志物的药物敏感性差异。
4. 概念验证：与临床结果高度相关
这是研究的核心验证环节。研究人员选取了8例接受5-FU联合奥沙利铂化疗的mCRC患者的PDOs，分别在微型化平台（10个PDO/孔）和传统平台（250个PDO/孔）上进行两种药物的单药测试。结果显示，两种平台测得的PDO药物反应（以AUC表示）具有高度显著的相关性（5-FU: R=0.85; 奥沙利铂: R=0.75）。更重要的是，微型化平台测得的PDO对5-FU和奥沙利铂的敏感性，与对应患者的临床结局显著相关：PDO对药物越敏感（AUC值越低），患者的无进展生存期(PFS)和总生存期(OS)倾向于越长，且治疗后肿瘤病灶缩小的程度也越大。这些相关性强度与传统平台获得的结果相当。研究还尝试进一步精简，使用5个PDO/孔和5个药物浓度点进行测试，其结果仍与常规方法显著相关，展示了进一步缩短检测流程和时间(TAT)的潜力。
研究结论与意义
本研究表明，通过利用YCH自动化平台对工作流程、检测方法进行系统优化，成功建立了一个高效、高质量的微型化PDO药物筛选平台。该平台将单次药物测试所需的PDO数量降低了25-50倍（减少96%以上），并有望将总的周转时间(TAT)从大约13周缩短至6周。概念验证研究证实，使用该微型化平台获得的PDO药物反应数据，不仅与传统“金标准”方法高度一致，更重要的是，能够显著预测转移性结直肠癌患者对标准化疗的临床反应和生存结局。
这项研究的意义重大。它直接针对了PDO技术临床转化中最棘手的“样本需求大、周期长”瓶颈，提供了一个切实可行的解决方案。通过大幅减少样本需求和检测时间，使得在临床可行的时间框架内，利用患者自身的“迷你肿瘤”（PDO）进行高通量药物筛选成为可能，从而真正为医生提供个体化的用药指导，实现“在患者身上试药前，先在类器官上试药”的精准医疗愿景。这不仅有助于为患者选择更有效的疗法，提高治疗成功率，也能避免患者承受无效治疗带来的毒副作用和经济负担。该研究为加速个性化肿瘤治疗策略的开发与应用奠定了坚实的技术基础。
