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这篇综述聚焦肿瘤类器官（tumoroids）在癌症研究和精准治疗中的应用。介绍了其在模拟肿瘤特性、预测治疗反应等方面的进展，探讨了精准治疗面临的挑战，分析了肿瘤类器官用于临床决策的可行性，对相关研究和临床实践有重要参考价值。
肿瘤类器官在癌症研究中的兴起
随着分子诊断技术进步和新抗癌疗法发展，癌症治疗模式正从以肿瘤类型为中心转向以个体患者为中心的精准治疗（precision therapy）。在临床中，基因组检测、转录组检测、免疫组化（IHC）和 DNA 甲基化分析等已成为常规手段，用于辅助肿瘤的分子分类，进而指导个体患者的抗癌治疗。这一模式改善了癌症患者的临床结局，但仍存在部分肿瘤（亚）类型难以治疗和抗癌治疗耐药性等问题。
成体干细胞来源的类器官是通过在含有特定生长因子组合和细胞外基质样水凝胶的三维环境中培养含有干细胞的小组织片段生成的，常用的水凝胶有基质胶（Matrigel）或基底膜提取物（BME）。类器官能够重现组织的结构、细胞和分子特征，已被用于多种疾病建模，如囊性纤维化。利用携带 CFTR 突变的囊性纤维化患者的类器官，成功识别并治疗了之前不符合使用注册药物 Orkambi（Vertex Pharmaceuticals）条件的患者，凸显了基于类器官的药物反应检测的预测价值。
类器官也被用于构建患者和实验动物模型的癌症类器官（肿瘤类器官，tumoroids）。肿瘤类器官能够重现相应肿瘤的组织学、遗传学和转录组特征，在肿瘤生物学研究中发挥了重要作用。对于多种癌症类型，肿瘤类器官可高效生成，并可利用基因工程技术进行操作，适用于全基因组和全外显子测序、RNA 测序、药物筛选和 CRISPR 筛选等分析。重要的是，多种癌症类型的肿瘤类器官能够预测个体患者对放疗和系统治疗的临床反应。越来越多的证据表明肿瘤类器官在转化研究中具有重要作用。
精准治疗
在肿瘤学中，精准治疗的目标是根据个体特征以及肿瘤的细胞、分子特征及其微环境，在正确的时间为个体提供正确的癌症治疗。传统上，放疗和化疗是最常用的细胞毒性抗癌疗法。放疗通过电离辐射直接损伤 DNA，化疗则通过消耗 DNA 和 RNA 合成所需的代谢物、烷基化 DNA 以及抑制细胞周期相关蛋白来诱导细胞凋亡或细胞周期停滞。然而，放疗和化疗常常会损伤健康组织，因为正常细胞也需要 DNA 复制机制，这会导致多器官衰竭、组织炎症等不良反应，例如儿童癌症幸存者可能会发生治疗相关的继发性恶性肿瘤。
在过去几十年中，几乎所有癌症类型中驱动肿瘤发生的蛋白质编码基因的许多 DNA 突变和结构异常（称为 “致癌驱动因素”）已被识别。靶向疗法应运而生，旨在选择性地靶向这些致癌驱动因素或其驱动的通路，同时尽量保护正常细胞。与细胞毒性疗法相比，针对多种肿瘤类型的靶向疗法改善了无进展生存期、总生存期和安全性。目前临床上已有多种靶向疗法，包括小分子抑制剂、单克隆抗体、双特异性 T 细胞衔接器、抗体 - 药物偶联物（ADCs）和细胞疗法。小分子抑制剂可通过多种方式发挥作用，如直接阻断癌蛋白的酶活性、变构抑制靶蛋白、干扰蛋白质 - 蛋白质相互作用或诱导靶蛋白降解。单克隆抗体通过结合其分子靶标来抑制配体 - 受体相互作用、诱导细胞毒性或调节抗肿瘤免疫。ADCs 由与识别特定靶标的单克隆抗体共价连接的细胞毒性小分子组成。在细胞疗法中，免疫细胞经过基因工程改造以靶向肿瘤特异性抗原，如嵌合抗原受体 T 细胞（CAR - T）疗法、T 细胞受体修饰的 T 细胞和 CAR 修饰的自然杀伤细胞。
为了选择适合接受靶向治疗的患者并最大化临床获益，基因组、转录组和蛋白质生物标志物检测已被纳入治疗指南。但对于大多数药物而言，化疗敏感性的分子生物标志物仍难以确定，21 基因复发评分检测（Oncotype DX）是少数具有临床实用价值的例子之一，它基于与细胞增殖和激素反应相关基因的 mRNA 表达，预测淋巴结阴性、雌激素受体阳性乳腺癌的复发和对化疗的反应。
分子分析技术发展迅速，在细胞含量低或活力低的肿瘤组织中进行组织基因分型具有挑战性。血浆基因分型的进展使得能够检测肿瘤释放的循环肿瘤 DNA（ctDNA）中的遗传生物标志物，该方法能够检测无症状的早期癌症、识别癌症患者的可靶向治疗靶点，并以高灵敏度监测对靶向治疗的反应。此外，血浆基因分型的检测周转时间比组织基因分型更快（中位时间分别为 9 天和 15 天）。一项研究表明，术中基于机器学习的脑肿瘤 DNA 甲基化分析能够在不到 90 分钟内完成检测，并以 72% 的准确率对肿瘤类型进行分类，使手术团队能够在手术中调整治疗策略。
精准治疗面临的挑战
识别特定的可靶向治疗靶点是精准治疗的关键要素之一。尽管进行了全面的基因组和转录组分析，但一些肿瘤实体中蛋白质编码基因的致癌驱动因素仍未明确。在肺腺癌中，约 24% 的病例致癌驱动因素未知；在儿童神经母细胞瘤中，28% 的病例致癌驱动因素不明，这可能暗示存在其他类型的致癌驱动因素，如非编码 DNA 突变或染色体外 DNA（ecDNA）。此外，对于绝大多数致癌驱动因素，尚无靶向药物可用。一些常见的致癌驱动因素，如 cMyc、TP53 和 KRAS，长期以来难以开发靶向疗法。不过，首个 KRASG12C突变抑制剂索托拉西布（sotorasib）近期显示出临床疗效，针对 cMyc 和 TP53 的类似尝试也在进行中。在儿童癌症中，致癌驱动因素常涉及拷贝数改变和结构变异，约 45% 也在成人癌症中有所报道。
另一个显著挑战是抗癌治疗的耐药性。耐药性可能源于肿瘤异质性、系统治疗的物理屏障或肿瘤微环境（TME），可分为原发性耐药、适应性耐药和获得性耐药。原发性耐药是指靶向治疗无法引发临床反应，因为肿瘤存在预先存在的（亚）克隆耐药突变，例如西妥昔单抗（一种抗 EGFR 抗体）对 KRAS 或 BRAF 突变的转移性结直肠癌（mCRC）疗效有限，吉非替尼（一种 EGFR 酪氨酸激酶抑制剂，TKI）对携带 EGFR 激活突变和预先存在的 EGFRT790M突变的非小细胞肺癌（NSCLC）疗效不佳。适应性耐药是指部分肿瘤细胞通过转录组和表观遗传重新激活细胞增殖信号通路，在治疗压力下存活。获得性耐药是指肿瘤细胞在长期暴露于治疗后，最终产生耐药肿瘤细胞克隆。例如，EGFR TKIs 对 EGFR 激活突变的 NSCLC 总体缓解率 > 80%，但大多数患者在治疗 1 - 2 年后会复发，获得性耐药的机制包括靶基因的体细胞突变抑制药物 - 靶标相互作用、拷贝数变异或靶标的剪接变体。原发性和获得性耐药的基因组生物标志物可在常规组织或血浆检测中识别，但适应性耐药的生物标志物由于其短暂性，在临床中可能难以检测。
肿瘤类器官在精准治疗中的应用
为了开发新的抗癌疗法或治疗策略并应对精准治疗中的挑战，需要能够反映肿瘤病理特征的充分的临床前模型。传统上，二维细胞系、二维原代培养和患者来源的异种移植（PDX）模型被广泛应用。PDX 模型通常能够重现匹配患者肿瘤的分子特征，并包含肿瘤微环境，但其维护成本高且耗时，在 PDX 模型中进行基因操作和高通量药物筛选等功能检测受到限制。在过去十年中，肿瘤类器官作为转化研究的工具逐渐兴起。
肿瘤类器官能够反映不同肿瘤实体及其亚型的特征，并可与源自癌症组织的非恶性细胞（也培养为类器官）进行直接比较。肿瘤类器官已从成人常见的多种癌症（如结肠癌、肺癌、乳腺癌、头颈癌、胰腺癌、肝癌、卵巢癌、前列腺癌、胆管癌等）中成功培养，使用的样本包括原发性或转移性肿瘤切除样本、细针穿刺活检样本或尸检时收集的肿瘤样本。此外，肿瘤类器官还可从这些肿瘤类型中较少见的分子或组织学亚型中培养获得。最近，肿瘤类器官也从较少见且可能起源于非上皮细胞（即间充质或神经细胞）的肿瘤实体中培养出来，包括儿童癌症（肾恶性横纹肌样瘤、非典型畸胎样 / 横纹肌样瘤、肾细胞癌、肾母细胞瘤、横纹肌肉瘤、尤因肉瘤、CIC::DUX4 肉瘤和 BCOR 重排肉瘤）、脑肿瘤（胶质母细胞瘤、后颅窝 A 组室管膜瘤、SHH 和 4 组髓母细胞瘤、神经节胶质瘤、毛细胞型星形细胞瘤）、其他罕见癌症（卵巢高钙血症型小细胞癌）和神经内分泌肿瘤，以及血液系统癌症（滤泡性淋巴瘤）。这些进展对于罕见肿瘤（亚）类型尤为重要，因为其临床结局可能与主要亚型不同，且由于患者数量少，临床试验难以开展，同时也缺乏细胞系和异种移植等临床前模型。
肿瘤类器官与其匹配的肿瘤样本具有关键的遗传特征共性。研究表明，肿瘤类器官能够保留体细胞异常、克隆结构、肿瘤内空间异质性、突变特征、线粒体突变和其亲代肿瘤的 ecDNA。ecDNA 是一种缺乏着丝粒的环状非染色体 DNA 结构，常存在于癌细胞中，携带癌基因的扩增，有助于肿瘤内异质性的形成。例如，一项研究显示食管腺癌肿瘤类器官与匹配肿瘤样本中的 ecDNA 事件具有高度一致性（94%）。
批量 RNA 测序表明肿瘤类器官与其匹配的肿瘤样本或相应肿瘤类型在转录组上具有相似性。单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）分析显示肿瘤和肿瘤类器官共享转录异质性，但有时肿瘤类器官只能部分捕获肿瘤中的转录状态，这可能是由于培养条件影响了转录组。需要注意的是，肿瘤类器官一旦建立，完全由恶性细胞组成，缺乏肿瘤基质、血管、神经和免疫细胞。
此外，通过简化代表性亚硫酸氢盐测序或 DNA 甲基化阵列分析发现，肿瘤类器官能够重现匹配肿瘤样本或肿瘤类型的整体 DNA 甲基化谱。一些研究表明，肿瘤类器官还保留了匹配肿瘤类型的转座酶可及染色质测序（ATAC - seq）谱或匹配肿瘤样本的蛋白质组谱。
多组学分析和高通量药物筛选共同表明，肿瘤类器官能够模拟复杂的基因 - 药物相互作用，并为抗癌疗法的作用机制提供见解。肿瘤类器官能够捕捉原发性耐药、适应性耐药和获得性耐药，还被用于识别化疗敏感性和靶向治疗的转录组生物标志物。此外，肿瘤类器官还用于检测新型小分子抑制剂（包括共价调节剂）、单克隆抗体、ADCs、药物再利用和称为 “蛋白水解靶向嵌合体”（PROTACs）的小分子的效力。
靶向 EGFR 和 LGR5 的双特异性抗体 Petosemtamab（MCLA - 158）是一个突出的例子，展示了一组肿瘤类器官如何代表患者群体以及如何用于开发抗癌疗法。Petosemtamab 完全基于癌症类器官开发，比临床上可用的抗 EGFR 抗体西妥昔单抗更有效。在 21 个肿瘤类器官系中，Petosemtamab 在 11 个（52.4%）中显示出临床前疗效，且疗效与 LGR5 阳性肿瘤细胞群体的百分比相关。1 期和 2 期临床试验的早期结果表明，Petosemtamab 在头颈部鳞状细胞癌患者中诱导了持久的反应，总体缓解率为 37.2%，美国食品药品监督管理局（FDA）已授予 Petosemtamab 突破性疗法认定。体内模型（如 PDX 或患者来源的类器官异种移植，PDOX 模型）与肿瘤类器官并行使用，以验证新疗法的临床前疗效，证实了肿瘤类器官是有前景的临床前药物开发体外模型。
药物开发的另一个重要部分是确保药物安全性。传统上，细胞系（通常携带致癌变化以使其能够在无特定生长因子的二维塑料表面生长）或体内模型（主要是小鼠模型）用于检测新型抗癌疗法的脱靶效应。小鼠模型有助于测量药物代谢物的全身效应，包括器官毒性和体重减轻，但在预测人类药物毒性或生理反应方面表现不佳。最近的研究发现了人类特有的细胞类型，且一些小鼠和人类正常组织的转录组和表观转录组存在差异，这可以解释人类和小鼠在药物代谢和药物抑制方面的明显差异。这些研究强调了基于人类模型的必要性。类器官技术为在正常、未转化的人类细胞中检测短期和长期药物安全性提供了独特机会，这些细胞代表了用于安全性 / 毒性筛选的关键器官。例如，常用的化疗药物 5 - 氟尿嘧啶（5 - FU）已被证明对健康结肠类器官具有致突变性且可能致癌。因此，使用一组来自重要器官的正常人类类器官比使用一组细胞系或 PDX 小鼠模型更适合测量药物安全性。
基于肿瘤类器官的临床决策
鉴于肿瘤类器官可以从患者材料中以较高成功率建立，并且在很大程度上重现匹配肿瘤样本的生物学特征，研究人员探讨了肿瘤类器官的药物分析是否能够指导个体患者的后续治疗。多项研究表明，胃肠道癌、结直肠癌（CRC）、直肠癌、肺癌、头颈癌、胰腺导管腺癌（PDAC）和卵巢癌的肿瘤类器官能够预测对放疗和 / 或系统治疗（包括化疗和靶向治疗）的反应。通过曲线下面积（AUC）、半数最大抑制浓度（IC50）、50% 生长抑制（GI50）和 50% 生长速率抑制（GR50）等指标来评估肿瘤类器官对放疗和系统治疗的体外反应，通过剂量 - 反应矩阵或药物组合中每种药物的反应来确定对药物组合的体外反应。体外药物反应已与患者的临床结局相关联，包括无进展生存期（PFS）、实体瘤疗效评价标准（RECIST）和 / 或总生存期。肿瘤类器官可以在治疗前后生成，有助于研究耐药性。这些探索性研究表明，肿瘤类器官药物分析可能是一种能够为个体患者临床决策提供信息的生物标志物。
最近，前瞻性研究探讨了基于肿瘤类器官的临床决策在晚期 CRC 和 PDAC 患者中的可行性。一些研究在标准治疗进展后、治疗选择有限的患者队列中进行，在多中心研究中，使用标准化的药物筛选方案以提高功能检测结果的可重复性。通过 AUC、IC50或生长速率（GR）指标以及参考队列来评估肿瘤类器官对系统治疗的反应，以对肿瘤类器官的药物敏感性进行排名。尽管大多数研究报告了有前景的结果，但类器官生成的成功率有限、匹配肿瘤样本的细胞含量或质量、感染以及患者在标准治疗期间的疾病进展等被认为是限制因素，揭示了这种方法在实际应用中的障碍。实际上，大多数前瞻性研究报告的肿瘤类器官生成成功率对于个性化治疗而言并不理想（41 - 68%），药物分析的周转时间（3 - 16 周）比组织和 / 或血浆基因组和 / 或甲基组分析更慢，尽管通过使用 384 孔板、限制测试药物数量（8 - 35 种）或药物浓度等方式努力缩短周转时间。基于液滴的微流控技术有望克服这一问题，据报道其成功率高达 100%，检测周转时间可缩短至 2 周，且可测试 119 种药物。显然，这种方法的广泛应用将取决于肿瘤类器官生成和药物测试的自动化和小型化。
肿瘤微环境的类器官建模
肿瘤类器官模型的一个局限性是，尤其是在后期传代时，它们由纯恶性细胞群体组成，缺乏可能有助于肿瘤发生和耐药性的肿瘤微环境（TME）成分。为了模拟更复杂的 TME，肿瘤类器官已与多种细胞类型共培养，包括癌症相关成纤维细胞（CAFs）、肿瘤反应性 T 细胞、CAR - T 细胞、巨噬细胞以及这些和其他细胞类型的组合。这些细胞来源于组织样本（如肿瘤浸润淋巴细胞，TILs）或外周免疫系统（外周血单个核细胞，PBMCs、<
