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腫瘤類器官作為體外模型，在腫瘤藥物研究中具有重要價(jià)值。與傳統(tǒng)的2D培養(yǎng)腫瘤細(xì)胞系相比，3D培養(yǎng)的類器官更好地保留了癌癥患者腫瘤的特征和內(nèi)部異質(zhì)性?；陬惼鞴倌Ｐ偷乃幬锖Y選不僅可以發(fā)現(xiàn)新的腫瘤治療藥物，還可以研究不同突變類型細(xì)胞的藥物敏感性差異。然而，目前藥物篩選的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要基于細(xì)胞增殖和凋亡等表型特征，對(duì)藥物的分子層面作用機(jī)制的研究還不充分。

今天小學(xué)社帶來的這篇高達(dá)20分的研究論文，成功建立了基于人類結(jié)直腸癌類器官模型的體外藥物篩選和藥效評(píng)價(jià)平臺(tái)，使用小分子藥物體外篩選手段并經(jīng)過免疫缺陷小鼠體內(nèi)移植實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到多種具有潛在結(jié)直腸癌治療價(jià)值的候選藥物。這項(xiàng)研究提供了一種創(chuàng)新的藥物發(fā)現(xiàn)方法，其思路清晰，實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)。一起來學(xué)習(xí)一下吧！

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結(jié)直腸癌(CRC)是全球范圍內(nèi)最常見的惡性腫瘤之一，由于CRC的高度異質(zhì)性，具有不同分子特征的患者對(duì)相同治療策略的反應(yīng)往往大相徑庭。因此，探索新的治療方案是亟待解決的問題。

本文中的研究團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)建了能夠準(zhǔn)確反映原始腫瘤的形態(tài)和分子異質(zhì)性的人類結(jié)直腸癌（CRC）腫瘤衍生的類器官模型，開發(fā)了一種有機(jī)體藥物篩選系統(tǒng)。通過藥物測試以及對(duì)藥物反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，使用已建立的患者類器官異種移植（PDOX）系統(tǒng)對(duì)候選藥物的抗癌活性進(jìn)行體內(nèi)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)非瑞替尼、曲美替尼和硼替佐米具有有效的抗癌作用。研究提供了一種創(chuàng)新的藥物發(fā)現(xiàn)方法，并為開發(fā)新的CRC臨床治療方法提供了寶貴的資源。

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1. 長期培養(yǎng)的人類CRC類器官保留了親本腫瘤的組織學(xué)特征和分子特征

該研究構(gòu)建了8個(gè)人類CRC類器官，同時(shí)囊括了帶有KRAS突變和不含KRAS突變的腫瘤類型。研究人員利用轉(zhuǎn)錄組、外顯子組和DNA甲基化組測序技術(shù)，在多組學(xué)水平上對(duì)CRC類器官的分子特征進(jìn)行解析、對(duì)腫瘤類器官與患者原位腫瘤的一致性進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這些類器官很好地保留了原位腫瘤組織的突變特征、重要信號(hào)通路的表達(dá)水平以及基因啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化水平。

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圖1

2. 預(yù)測和篩選抑制 CRC 患者衍生類器官的再利用藥物

為了能夠篩選到毒副作用小且具有潛在的殺傷CRC細(xì)胞的藥物，除了使用經(jīng)過FDA批準(zhǔn)的治療其他疾病的藥物庫外，該研究利用已有數(shù)據(jù)庫進(jìn)行條件嚴(yán)格的藥物預(yù)測，并且使用CRC臨床常用藥5-氟尿嘧啶（5-Fluorouracil）和瑞戈非尼（Regorafenib）作為陽性對(duì)照。篩選結(jié)果顯示，在包含預(yù)測藥物的共335種藥物中，34種藥物具有潛在殺傷CRC類器官的能力（圖2）。

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圖2

3. 患者來源的類器官表現(xiàn)出強(qiáng)烈的藥物反應(yīng)異質(zhì)性

為了進(jìn)一步確認(rèn)篩選到的34種藥物對(duì)不同患者來源的CRC類器官的殺傷效果，該研究在8個(gè)CRC類器官系中對(duì)藥物效果進(jìn)行測試（圖3）。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同患者來源的類器官對(duì)34種候選藥物的敏感性不同，臨床上常用的5-氟尿嘧啶和瑞戈非尼兩種結(jié)直腸癌治療藥物也顯示出對(duì)不同的類器官系的敏感性不同，說明不同患者之間的藥物響應(yīng)差別大，這說明使用類器官篩選藥物進(jìn)而幫助指導(dǎo)患者用藥的重要性。

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圖3

4. 根據(jù)轉(zhuǎn)錄組特征將藥物反應(yīng)特征分為五種代表性模式

為了排除藥物反應(yīng)異質(zhì)性的干擾，研究整合了所有轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，從腫瘤相關(guān)信號(hào)通路干擾、CRC特征基因表達(dá)、耐藥相關(guān)基因表達(dá)和細(xì)胞分化程度等方面探討藥物誘導(dǎo)的變化?；蚣患治霭l(fā)現(xiàn)，幾乎所有藥物都能抑制腫瘤類器官的細(xì)胞活力，但不同藥物干擾的細(xì)胞信號(hào)通路不同，表明不同藥物的作用方式不同。結(jié)合腸道上皮細(xì)胞標(biāo)志基因的表達(dá)水平高低，研究人員確定了五種不同的藥物反應(yīng)特征模式（圖4）。

• 模式1：促分化類，不同腸道細(xì)胞類型的標(biāo)志基因的表達(dá)相對(duì)其他類群較高

• 模式2：抑生長類，顯著抑制生長因子反應(yīng)和MAPK信號(hào)通路的調(diào)節(jié)

• 模式3：抑代謝類，與代謝相關(guān)通路如糖酵解通路的表達(dá)被抑制

• 模式4：促免疫響應(yīng)類，免疫反應(yīng)和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)通路被激活

• 模式5：抑細(xì)胞周期類，細(xì)胞周期和DNA復(fù)制功能相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)

此外，研究人員從候選藥物中隨機(jī)選擇10種，并分別以高、中、低濃度治療CRC類器官，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析，發(fā)現(xiàn)藥物反應(yīng)特征具有劑量依賴性。

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圖4

5. 驗(yàn)證候選藥物在體內(nèi)的腫瘤抑制效果

為了進(jìn)一步探究候選藥物在體內(nèi)環(huán)境中的表現(xiàn)情況，該研究構(gòu)建了基于類器官的小鼠異種移植模型（PDOX）。該研究在每個(gè)藥物反應(yīng)特征模式中各選取了1到2種細(xì)胞殺傷效果強(qiáng)、臨床使用毒性小的藥物（共7個(gè)）在PDOX模型上進(jìn)行體內(nèi)抑瘤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些藥物能顯著減輕腫瘤重量并降低相關(guān)信號(hào)通路的活性。

此外，除了臨床常用藥物5氟尿嘧啶（5-Fluorouracil），曲美替尼（Trametinib）、硼替佐米（Bortezomib）和菲卓替尼（Fedratinib）的抑制腫瘤的效果明顯（圖5）。以上結(jié)果表明，曲美替尼、硼替佐米和菲卓替尼可能為治療CRC的潛在藥物。

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圖5

6. 體外CRC類器官與體內(nèi)PDOX的藥物反應(yīng)比較

為了排除患者間異質(zhì)性的影響，本研究額外比較了體外和體內(nèi)系統(tǒng)（類器官模型和成對(duì)PDOX模型）在藥物反應(yīng)上的差異，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)和體外系統(tǒng)中藥物處理的細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組變化不一致，且它們之間受干擾通路的表達(dá)不同。同時(shí)，體外類器官和體內(nèi)PDOX模型僅有約10%的基因表達(dá)重疊，它們之間的癌癥相關(guān)通路表達(dá)一致性也不同。研究團(tuán)隊(duì)推測這可能是因?yàn)轶w內(nèi)劑量不足，導(dǎo)致信號(hào)通路和基因表達(dá)的調(diào)節(jié)受到影響。研究團(tuán)隊(duì)提取了在CRC類器官和PDOX模型中強(qiáng)烈上調(diào)或下調(diào)的前250個(gè)基因，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)和體外模型之間的不同的轉(zhuǎn)錄組特征不能完全由劑量解釋，這兩個(gè)系統(tǒng)之間固有的生物學(xué)差異需要進(jìn)一步研究（圖6）。

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圖6

7. 類器官系統(tǒng)與藥物預(yù)測相結(jié)合有助于發(fā)現(xiàn)潛在的藥物組合

該研究通過藥物預(yù)測方法和基于類器官的藥物篩選系統(tǒng)，探索了聯(lián)合用藥治療CRC的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，菲達(dá)替尼對(duì) CRC 類器官具有明顯的抑制作用，并且與硼替佐米聯(lián)合應(yīng)用可能具有更好的效果。

為了評(píng)估聯(lián)合用藥的效果, 研究人員首先在患者來源類器官模型上進(jìn)行了聯(lián)合用藥濃度的梯度設(shè)定，結(jié)果表明聯(lián)合用藥組的抑瘤效果優(yōu)于單藥組, 這表明聯(lián)合用藥可能具有更強(qiáng)的抑瘤效果。

隨后，研究人員在PDOX模型中驗(yàn)證聯(lián)合用藥的協(xié)同效應(yīng)，結(jié)果分析進(jìn)一步驗(yàn)證了藥物的靶點(diǎn)和參與癌癥相關(guān)通路的基因表達(dá)變化。這些結(jié)果表明，類器官模型系統(tǒng)結(jié)合藥物預(yù)測有助于發(fā)現(xiàn)潛在的聯(lián)合用藥治療方法（圖7）。

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圖7

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綜上，該研究建立了基于人類腫瘤類器官、并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)篩選和計(jì)算預(yù)測的藥物篩選方法，成功篩選驗(yàn)證得到治療結(jié)直腸癌的潛在候選藥物。同時(shí)利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)揭示了候選藥物的作用機(jī)制和作用模式，為結(jié)直腸癌治療藥物的發(fā)現(xiàn)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，該研究對(duì)結(jié)直腸癌的臨床治療具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

Mao Y, Wang W, Yang J, Zhou X, Lu Y, Gao J, Wang X, Wen L, Fu W, Tang F. Drug repurposing screening and mechanism analysis based on human colorectal cancer organoids. Protein Cell. 2023 Jun 22:pwad038. doi: 10.1093/procel/pwad038. Epub ahead of print. PMID: 37345888.

來源：類器官學(xué)社