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2022-10
引文
膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）是成年人原發(fā)性惡性腦腫瘤中的最常見(jiàn)形式，由于GBM具有很強的侵襲性和較高的惡性程度，通常預后很差。缺乏再現人腦復雜性的體外模型是神經(jīng)腫瘤學(xué)和神經(jīng)病學(xué)領(lǐng)域的主要研究障礙。因此，開(kāi)發(fā)創(chuàng )新模型來(lái)有效地再現GBM的復雜表型對于GBM轉化研究至關(guān)重要。
近年來(lái)新型的3D類(lèi)器官和細胞培養系統為GBM疾病建模提供了新的可能，并被應用到了疾病工程、藥物篩選、建立活體Biobank和探索個(gè)性化治療等多個(gè)方向。這些模型通過(guò)使用CRISPR/Cas9技術(shù)進(jìn)行基因修飾，可研究與膠質(zhì)瘤發(fā)生相關(guān)的關(guān)鍵基因的特定作用，而與GBM細胞建立共培養系統可以作為了解其侵襲行為一種方式。
2D與3D GBM模型對比
在疾病模型中，2D細胞培養模型最簡(jiǎn)便且應用最為廣泛。長(cháng)期以來(lái)，U87、U251和T98G細胞系也是研究GBM生物學(xué)的最為常用的工具，但在研究較為復雜的疾病時(shí)，2D模型存在一定的局限性，血清培養基可能會(huì )導致基因組和轉錄組水平改變，將細胞系植入免疫功能缺陷小鼠體內產(chǎn)生的腫瘤無(wú)法重現許多經(jīng)典的GBM表型，如：彌漫浸潤、微血管增生和壞死等。
2D培養與3D培養
長(cháng)期以來(lái)，一直認為GBM起源于中樞神經(jīng)系統的成熟的膠質(zhì)細胞。然而，新的研究結果表明，GBM來(lái)源于位于大腦腦室下區的神經(jīng)干/祖細胞，GBM中存在一種具有干細胞特性的細胞亞群，稱(chēng)為膠質(zhì)母細胞瘤干細胞（GSCs），它對治療的耐藥性和抗性密切相關(guān)。GBM的典型特征之一是廣泛浸潤周?chē)哪X實(shí)質(zhì)，GBM細胞侵入健康腦組織是腫瘤細胞與由小膠質(zhì)細胞、巨噬細胞、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、神經(jīng)元、膠質(zhì)和神經(jīng)祖細胞、周細胞、內皮細胞和細胞外基質(zhì)（ECM）組成的微環(huán)境成分之間復雜相互作用的結果。因此這也使得GBM的體外建模更具挑戰性。
近年來(lái)，3D類(lèi)器官由于可以在結構和功能上與親代組織保持高度的一致性，能夠長(cháng)期培養、穩定遺傳等優(yōu)勢成為具有潛力的疾病模型。并成功建立了病人來(lái)源的膠質(zhì)母細胞瘤類(lèi)器官，且所建立的類(lèi)器官可以保留膠質(zhì)母細胞瘤形態(tài)學(xué)特征——包括對研究各種療法原發(fā)性和后天耐藥性極其重要的GFAP和嵌套標記腫瘤微管（TM）等[患者來(lái)源腫瘤類(lèi)器官指導復發(fā)膠質(zhì)母細胞瘤的個(gè)性化治療]。這些都是評估藥物反應模型中尤其重要的方面。3D培養技術(shù)成功對膠質(zhì)母細胞瘤進(jìn)行疾病建模，同時(shí)體現出其獨有的優(yōu)勢與潛力。
大腦類(lèi)器官
1) Lancaster和Knoblich從人多能干細胞中生成大腦類(lèi)器官（COs），成功構建的COs與人類(lèi)大腦的內源性發(fā)育程序非常相似，可作為研究大腦發(fā)育早期事件的優(yōu)秀模型。此外，COs還可用于多種神經(jīng)系統疾病的建模，如小頭畸形和神經(jīng)惡性腫瘤(GBM和原始神經(jīng)外胚層腫瘤)等。
2) Bian等人的研究使用轉座子和CRISPR/Cas9引入COs的致癌突變，這些腫瘤性腦類(lèi)器官適合研究腫瘤生物學(xué)的侵襲性、藥物反應等。
3) Ogawa等人利用CRISPR/Cas9技術(shù)，通過(guò)同源重組TP53位點(diǎn)構建HRasG12V IRES tdTomato人類(lèi)膠質(zhì)瘤COs的腫瘤模型。它誘導COs中細胞的腫瘤轉化，使細胞具有侵襲性，并破壞了周?chē)念?lèi)器官結構。將轉化細胞原位植入免疫缺陷小鼠體內，產(chǎn)生了一種具有間充質(zhì)特征的高度侵襲性腫瘤。這種侵襲性間充質(zhì)腫瘤的產(chǎn)生展現了間充質(zhì)轉化和相關(guān)腫瘤侵襲的分子介質(zhì)的特性。
4) Linkous等人構建的大腦器官樣膠質(zhì)瘤（GLICO）模型，通過(guò)GSCs和COs共培養讓GSC侵襲COs后增殖，形成與患者GBM相似的腫瘤。GLICO模型是極佳的人體外原代GBM建模系統，并可作為一個(gè)有前景的高通量藥物篩選平臺。
熱評:
通過(guò)人類(lèi)多能干細胞生成的大腦類(lèi)器官與大腦的內源性發(fā)育程序非常相似，是作為研究大腦早期發(fā)育的優(yōu)秀模型，經(jīng)過(guò)與不同的技術(shù)結合，大腦類(lèi)器官為科研、臨床和藥物篩選提供了有前景的平臺。
患者來(lái)源膠質(zhì)母細胞瘤類(lèi)器官
許多臨床試驗結果不良都與腫瘤間和腫瘤內分子異質(zhì)性有關(guān)。建立能夠保留腫瘤異質(zhì)性的GBO能為CBM患者的個(gè)體化治療提供至關(guān)重要的策略和經(jīng)驗。
1) Fadi等人用GBM樣本生成GBM類(lèi)器官（GBO）模型，GBO保留了其相應原代腫瘤的諸多關(guān)鍵特征，也再現了其腫瘤間和腫瘤內的異質(zhì)性。因此GBO可以應用在預測臨床治療和靶向治療的反應。
2) Yi等人由GBM樣本、內皮細胞和脫細胞的腦ECM進(jìn)行生物打印，位于分隔的癌間質(zhì)同心環(huán)結構中，維持徑向氧梯度。這種GBM芯片模型可有助于識別對標準一線(xiàn)治療耐藥的GBM患者的有效治療。
熱評:
腫瘤異質(zhì)性一直是困擾膠質(zhì)母細胞瘤臨床用藥和影響患者預后性的重要因素之一。GBO為GBM提供了一個(gè)優(yōu)秀的模型。而選擇患者來(lái)源組織直接構建類(lèi)器官進(jìn)行藥物敏感性測試，可以輔助確立最適合該患者的個(gè)體化用藥方案，對患者化療療效進(jìn)行評估，輔助繼發(fā)/實(shí)體腫瘤患者指定用藥方案。
胎腦聚集物模擬膠質(zhì)母細胞瘤侵襲
鼠胎腦聚集物（FBA）3D培養系統的建立可以在多個(gè)形態(tài)學(xué)方面模仿發(fā)育中的大腦，在GBM細胞系和FBA之間建立的共培養模型中，FBA是驗證GBM細胞侵襲的有效模型，腫瘤細胞侵襲FBA的模式與體內環(huán)境中看到的模式相似。而另一個(gè)研究發(fā)現，酪氨酸激酶抑制劑的使用可以減少GBM細胞對FBA的侵襲。
熱評:
FBA模型易于生成，具有成本效益，它可以作為一個(gè)極好的平臺來(lái)研究GBM在體外的侵襲，用來(lái)揭示GBM侵入正常大腦的機制。
應用基因編輯的類(lèi)器官疾病模型
為了充分發(fā)揮類(lèi)器官的潛力，研究者將基因編輯應用在類(lèi)器官模型中來(lái)研究疾病環(huán)境中的基因功能。CRISPR/Cas9在編碼序列中引入或刪除堿基對的方法為目標基因設計特定的向導RNA（sgRNA）。通過(guò)對DNA的編輯與剪接，按照計劃改變目標基因，但它通常會(huì )導致功能突變的缺失。它被應用于2D或3D系統，用以誘導靶基因突變。然而，這種方法由于sgRNAs和Cas9蛋白的傳遞而被反復使用，以引入DNA斷裂。通常，在類(lèi)器官中編輯CRISPR會(huì )產(chǎn)生大量野生型和突變細胞，這使結果的解釋變得復雜。CRISPR/Cas9技術(shù)仍然是一種新方法，該方法的傳遞和精度也在迅速提高，以提高效率并最小化偏離目標的影響。
熱評:
基因編輯方法的很大地改進(jìn)了包括類(lèi)器官在內的疾病模型，通過(guò)利用CRISPR技術(shù)，可以獲得特定基因型的類(lèi)器官。但由于載體系統的傳遞效率等原因，2D培養更適合基因編輯操作，但類(lèi)器官的3D結構在與CRISPR技術(shù)結合后又可以彌補2D不能解決的問(wèn)題，為還原更加復雜的疾病開(kāi)辟道路。
精科亮點(diǎn)
精科醫學(xué)作為國內類(lèi)器官技術(shù)轉化先行者，我們在類(lèi)器官培養上積累了豐富的經(jīng)驗，涵蓋了乳腺癌、肺癌、胃腸癌、肝癌、膀胱癌、前列腺癌、腎癌、甲狀腺癌、卵巢癌、宮頸癌、骨肉瘤以及腦腫瘤等多種實(shí)體腫瘤。其中基于活檢組織的微量建模培養成功率極高，同時(shí)可以實(shí)現穿刺標本的“一樣兩檢”（類(lèi)器官藥敏＋NGS）。精科擁有自主研發(fā)的類(lèi)器官培養技術(shù)，能夠有效地延長(cháng)樣本保護期，擴大地域覆蓋面。此外我們還和多家醫院和科研機構開(kāi)展科研與臨床合作。目前我們已經(jīng)在類(lèi)器官建模方法、類(lèi)器官鑒定、藥物敏感性檢測方法、類(lèi)器官共培養等多個(gè)重要技術(shù)上實(shí)現突破，并已建立相關(guān)的實(shí)驗室標準。
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