专访黄凌博士：低成本，高效率肿瘤类器官三维培养方法

　　

生物通报道：从生命诞生开始，细胞家族就一代接一代的往前跑，而癌细胞就是其中不愿意沿着跑道奔跑的“调皮细胞”。随着近年来负面新闻的越来越多，恐癌情绪挥之不去，大家纷纷担心，下一个会不会就是我？这无疑促使科学家们纷纷也与癌症展开了一场赛跑，希望在更多人患上癌症之前破解体内患癌的奥秘。

    然而要真实了解人体内癌细胞是如何发生发展的，就要在手术或尸体解剖过程中分离癌细胞进行分析，不幸的是，大约85%的癌症患者在确诊时或因为肿瘤与重要血管缠绕在一起，或是疾病已发展至晚期而不适合接受手术，从而研究人员获取患者样本受到限制。不过一种称为类器官（Organoids）的三维结构为大家带来了希望。

    近期来自美国哈佛大学医学院，安大略癌症研究所等处的研究人员研发出了一种利用三维细胞培养技术，利用这一技术，能从胰腺癌症病人组织中扩增和培养原代癌细胞类器官，从而有助于研究人员直接使用病人的组织进行有针对性的研究和快速而经济的个体化的药物测试。这一研究成果公布在《Nature Medicine》杂志上。

    那么相比于其它三维培养技术，这种新技术有何特点呢？是否能应用于多种癌症类型呢？如何解决肿瘤内异质性的问题呢？为了更好的了解这项新技术，生物通特联系了文章的第一作者，美国哈佛大学医学院，贝斯以色列女执事医院癌症研究中心的黄凌博士，就读者感兴趣的问题请教了他。

肿瘤类器官是什么？
    每个肿瘤都是不同的，即便它们出现在同一器官中。它们各自由携带不同突变的细胞混合物构成，这些突变决定了治疗是否能有效地发挥作用。因此为了研究癌症诱发因素和开发新疗法，许多实验室都使用患者肿瘤细胞等实验模型系统。

    但是目前可用的细胞系是在次优环境下衍生的，因此很难反映肿瘤细胞的重要特性。这就对具有不同遗传突变的患者的药物敏感性预测结果产生了影响。去年一组美国科学家第一次证实了可以在实验室培育出源自人类前列腺肿瘤的类器官（Organoids），用于测试癌症药物和个体化的癌症疗法。

    这种由聚集在一起的细胞构成的三维结构类器官，其空间组织结构与器官相似，可以帮助研究人员培养出从样品中取出时不会被周围其他类型细胞污染的3D组织。

低成本，高效率肿瘤类器官三维培养方法
    目前全球有超过100家实验室正在用不同的类器官模型开展包括肿瘤在内的疾病的研究，希望类器官能在药物筛选抗肿瘤药物试验以及检测药物的敏感性和耐受性，甚至疾病的成因等方面发挥重要作用。

    但“早期的类器官技术效率低，临床转化性不高，都只用在实验室的基础研究中”，黄凌博士解释道。而最新这项新技术最为重要的特点是能够直接使用病人本身的组织而非实验细胞系来进行类器官的培养，同时这些类器官又能很好的保留病人组织的病理形态和生物机理。

    “肿瘤类器官的悬浮培养技术已经存在了较长时间，但使用病人肿瘤组织的原代细胞进行贴壁培养的技术最近才有所发展。有关此技术的早期尝试证明了可行性，但是效率很低而无法用于转化医学应用，”黄凌博士说，“我们的技术有两个独特的优势: 首先，我们能够使用较低成本，而且有效的从病人样本中培养出肿瘤类器官(超过百分之八十的成功率)；其次，使用本方法培养出的肿瘤类器官保留了病人组织的多项特征，而这是首次在体外培养技术中实现。这一特点对使用肿瘤类器官在临床中测试和筛选药物的应用和研究至关重要。这两点优势保证了我们的这项技术在同类技术中的竞争力。”

    同时，这项最新技术也进行了药物检测，“在最新这篇论文中，我们使用了吉西他滨和表观遗传抑制剂来处理五位病人的肿瘤类器官。实验结果表明，五个样本对药物有不同的敏感度，而且敏感度与生物标记呈正相关。虽然这是一个很小样本的测试，但它证明了使用类器官技术来研究测试肿瘤异质性的可行性。该技术最大的优势在于我们能够建立多位病人肿瘤组织的活体样本库用于研究每个病人的特异致病机理。”

推动更多类型癌症的临床研究
    这项研究主要围绕胰腺癌展开，最新类器官培养技术能帮助研究人员建立胰腺癌模型研究和筛选药物，用于精准治疗。那么是否也可以用于其它类型的癌症呢？

    对于这个问题，黄凌博士回答道，“在过去的十五年里，我们实验室在开发和使用三维培养技术研究乳腺癌的领域里做出来先驱性的贡献。 这些工作为我们开发胰腺癌三维培养技术提供了很多经验和思路。目前，我们正在研发用于肺癌，前列腺癌和结肠癌的三维培养技术。”

    对于临床上的应用，“我们也正在推动本技术在临床应用中的测试。不过同所有新技术的临床研究一样，我们希望能有更多的资金支持我们的研究。”

 

注：相关问题的答案由黄凌博士和Senthil Muthuswamy共同讨论完成，由黄凌博士翻译为中文。对本项研究感兴趣的相关人士可与贝斯以色列女执事医院Senthil Muthuswamy教授（www.bidmc.org）联系. 如需中文交流，可联系黄凌博士: [e-mail]

作者简介：
黄凌博士生长于嘉陵江畔的重庆市，在1999-2003年就读于上海华东理工大学生物工程学院。2003年赴美国印第安纳州的普渡大学攻读博士学位，专注于研究钙离子信号通路在生物电场诱导的细胞运动和伤口愈合中的作用。2009年至2015年间在加拿大多伦多大学玛格丽特公主癌症研究中心（又名安大略癌症研究所）Muthuswamy实验室从事有关胰腺癌生物机理的研究。目前黄凌博士在美国哈佛大学医学院贝斯以色列医学中心Muthuswamy实验室担任研究助理教授（Research Assistant Professor）。

原文摘要：
Ductal pancreatic cancer modeling and drug screening using human pluripotent stem cell– and patient-derived tumor organoids
There are few in vitro models of exocrine pancreas development and primary human pancreatic adenocarcinoma (PDAC). We establish three-dimensional culture conditions to induce the differentiation of human pluripotent stem cells into exocrine progenitor organoids that form ductal and acinar structures in culture and in vivo. Expression of mutant KRAS or TP53 in progenitor organoids induces mutation-specific phenotypes in culture and in vivo. Expression of TP53R175H induces cytosolic SOX9 localization. In patient tumors bearing TP53 mutations, SOX9 was cytoplasmic and associated with mortality. We also define culture conditions for clonal generation of tumor organoids from freshly resected PDAC. Tumor organoids maintain the differentiation status, histoarchitecture and phenotypic heterogeneity of the primary tumor and retain patient-specific physiological changes, including hypoxia, oxygen consumption, epigenetic marks and differences in sensitivity to inhibition of the histone methyltransferase EZH2. Thus, pancreatic progenitor organoids and tumor organoids can be used to model PDAC and for drug screening to identify precision therapy strategies.