Nature Methods：从模型到治疗：类器官在癌症研究中的革命性作用

引言

类器官（Organoids）作为一种新兴的研究方法，为癌症的复杂性提供了全新的解读视角。癌症作为一种极其复杂的疾病，其异质性（heterogeneity）表现在不同患者的同一癌症亚型中都可能存在显著的差异，包括细胞的形状、大小和基因表达。这种异质性不仅存在于肿瘤细胞本身，还涵盖了肿瘤相关的免疫细胞、成纤维细胞以及肿瘤微环境（tumor microenvironment）。因此，研究人员需要一个能够模拟这种复杂性的系统来深入研究癌症生物学。

类器官的开发就是为了解决这个问题。它们是由细胞或微小的肿瘤样本培养出的三维结构，可以在体外（in vitro）复制器官的功能。通过这种方法，研究人员可以模拟肿瘤的异质性和微环境，进而更好地理解癌症的发展过程。例如，西湖大学（Westlake University）的蔡尚研究团队开发了能够模拟乳腺发育和乳腺癌的类器官/微器官。同样，Cincinnati Children's Hospital和大阪大学（Osaka University）的研究团队通过干细胞生成了肝脏类器官，以便更好地理解肝脏生理学和肝病，如MASH（一种癌前状态）。

同样，类器官在癌症研究中的应用也提出了新的挑战和机遇。例如，它们的不均一性可能来源于培养基的不同或原始组织处理方式的差异。此外，研究人员希望能够更加可重复地培养、维持和操作这些类器官。虽然目前类器官的改进仍在进行中，但它们在学术研究中的多样性被视为有趣且有价值的。在制药研究和开发中，需要可重复性和标准化以使用类器官进行定量分析。通过与患者的肿瘤进行侧面对比和基准测试，肿瘤类器官为癌症治疗和生物学研究提供了全新的视角。

此外，类器官减少了对动物测试的需求，这在伦理上是一个优势。与从患者衍生的细胞系相比，类器官的培养允许研究人员研究肿瘤细胞与肿瘤微环境中其他细胞之间的相互作用。例如，为了重现复杂的肿瘤微环境，可以将多个类器官连接成组合体（assembloids）。

类器官在癌症的早期阶段研究中也发挥着重要作用。通过使用类器官，研究人员可以详细研究肝纤维化等过程，这种过程可能发展为肝癌。通过基因编辑技术，可以在肝脏类器官中操纵代谢相关基因，从而研究涉及MASH的代谢变化。通过光遗传学方法，可以空间和时间控制地激活致癌驱动突变，这些方法结合生物工程支架，为癌症早期阶段的模型提供了前景。（3月25日 Nature Methods “Closing in on cancer heterogeneity with organoids”）

类器官（Organoids）是一种模拟人体内器官结构和功能的三维细胞培养系统。近年来，随着生物技术的发展，类器官在癌症研究中显示出巨大的潜力。与传统的二维细胞培养和动物模型相比，类器官能更准确地复制人体内的微环境，包括细胞间的相互作用、细胞-基质交互作用以及更为复杂的细胞信号传导网络。这种模型为研究肿瘤异质性、探索新药作用机制、评估药物效果提供了新的视角和工具。通过使用来自特定患者的肿瘤细胞培养类器官，研究人员可以更深入地研究癌症的个体差异，为精准医疗和个性化治疗策略的制定提供依据。

肿瘤异质性的建模

现有模型的局限性：细胞系和小鼠模型

在癌症研究领域，细胞系和小鼠模型长期以来一直是研究肿瘤生物学和评估治疗效果的重要工具。然而，这些模型存在明显的局限性，特别是在模拟肿瘤的复杂异质性方面。

细胞系模型的局限性

缺乏三维结构：传统的细胞系模型通常在二维环境中培养，无法复制肿瘤细胞在三维空间中的生长方式和行为。

微环境简化：细胞系缺少复杂的肿瘤微环境，包括血管、免疫细胞和细胞外基质，这些因素在肿瘤生长和治疗响应中起着关键作用。

遗传漂变：长期培养的细胞系可能发生遗传变异，导致其生物学特性与原始肿瘤组织不同。

小鼠模型的局限性

物种差异：小鼠与人类在遗传、生理和代谢方面存在显著差异，这可能影响实验结果的临床相关性。

肿瘤异质性简化：小鼠模型通常使用单一的肿瘤细胞克隆生成，难以准确反映人类肿瘤的异质性。

道德和伦理考量：使用小鼠进行癌症研究涉及动物福利和伦理问题，这限制了实验设计和范围。

类器官的优势：三维结构与肿瘤微环境的模拟

类器官技术是在癌症研究领域快速发展的一种新兴模型，它能够提供传统模型无法比拟的优势，特别是在模拟肿瘤的三维结构和微环境方面。

三维结构的重要性

复杂性模拟：类器官能够在三维空间内重现肿瘤细胞的生长模式，更接近于真实的肿瘤生理状态。

微环境互作：肿瘤的生长和发展不仅依赖于肿瘤细胞本身，还受到周围微环境的影响，如血管、免疫细胞和细胞外基质。类器官模型能够复杂地再现这些微环境因素。

肿瘤微环境的模拟

细胞间相互作用：类器官能够模拟肿瘤细胞与周围细胞（如免疫细胞、成纤维细胞）的相互作用，这对于研究肿瘤免疫逃逸和药物耐药性至关重要。

代谢环境还原：通过在类器官中模拟肿瘤周围的代谢环境，研究人员可以更准确地评估药物对肿瘤的影响。

类器官的研究价值

疾病模型的创新：类器官提供了一种创新的疾病模型，有助于解锁肿瘤异质性的复杂性和多样性。

精准医疗的推进：通过从特定患者的肿瘤样本培养个性化的类器官，研究人员可以为精准医疗策略提供直接的支持，包括个性化的药物筛选和治疗效果评估。

类器官的应用

研究早期癌症阶段的潜力

类器官技术在癌症早期阶段研究中展现出巨大的潜力，这一领域的探索对于理解肿瘤的起始过程和发展机制具有重要意义。

早期肿瘤生物学的挑战

肿瘤的早期阶段通常难以检测和研究，因为肿瘤体积小、细胞数量少，且生物行为复杂。传统的研究模型往往无法准确模拟肿瘤早期的微观环境和细胞行为，限制了对早期癌变过程的理解。

类器官模拟早期癌症

精细的生物模拟：类器官能够在控制的实验条件下模拟肿瘤细胞在早期阶段的生长环境，包括细胞间相互作用、微环境因素和代谢条件。

分子水平的研究：利用类器官，研究人员可以在单细胞层面上研究肿瘤的分子机制，探索肿瘤发展的早期事件和关键路径。

探索早期治疗策略

早期癌症阶段的研究不仅有助于理解肿瘤的起始过程，还能为开发早期干预和治疗策略提供依据。通过类器官模型，研究人员能够评估不同治疗方法在肿瘤形成初期的效果，优化治疗方案。

探索肿瘤微环境与细胞间的相互作用

类器官技术为研究肿瘤微环境与细胞间的相互作用提供了独特的平台，这对于深入理解肿瘤发展机制和开发新的治疗策略至关重要。

肿瘤微环境的复杂性

肿瘤微环境包括肿瘤细胞、免疫细胞、细胞外基质、血管和各种信号分子，它们相互作用形成了复杂的网络，影响肿瘤的生长、侵袭和转移。理解这些相互作用对于揭示肿瘤行为至关重要。

类器官模型的优势

细胞相互作用的模拟：类器官可以模拟肿瘤细胞与周围微环境中各种细胞类型的相互作用，如免疫细胞与肿瘤细胞之间的动态关系。

微环境条件的重现：类器官能够复现肿瘤细胞所在的微环境条件，包括氧气、营养物质和酸碱度的变化，这对研究肿瘤的适应性和治疗反应具有重要意义。

通过研究类器官中的肿瘤微环境，研究人员可以：

揭示肿瘤进展的生物学机制：理解肿瘤如何利用微环境支持其生长和转移。

评估抗癌疗法的效果：测试不同治疗策略对肿瘤微环境的影响，如免疫治疗、靶向治疗和化疗。

开发新的治疗靶点：识别控制肿瘤微环境相互作用的关键分子和通路，为开发新的治疗方法提供靶点。

类器官与传统动物模型的比较

类器官和传统动物模型在癌症研究中各有优势和局限。通过比较这两种模型，研究人员可以更有效地选择适合特定研究目的的方法。

传统动物模型的特点

整体生理环境：动物模型能够提供完整的生理环境，包括免疫系统的反应、药物代谢和肿瘤微环境。

长期观察：在动物模型中，研究人员可以进行长期的疾病进展观察，评估肿瘤生长和转移的动态过程。

复杂的生物行为：动物模型可以模拟肿瘤细胞与宿主细胞间复杂的相互作用，反映肿瘤在整体生物体中的自然行为。

类器官的优势

细胞层面的精确控制：类器官提供了在细胞和分子水平上精确控制实验条件的可能，允许研究者详细研究肿瘤细胞的特性。

高度的个体化：类器官可以从特定患者的肿瘤样本中培养，为个性化医疗研究提供了有力的工具。

快速且成本效益高：与动物模型相比，类器官的建立和测试通常更快速、成本更低，有利于高通量药物筛选。

整合两种模型的潜力

类器官和动物模型在癌症研究中并非相互排斥，而是可以互补。例如，类器官可以用于初步筛选和研究药物的作用机制，然后再在动物模型中验证这些发现的临床相关性和安全性。这种整合方法可以加速从基础研究到临床应用的转化。

伦理优势：减少动物实验的使用

在现代科学研究中，伦理问题日益成为人们关注的焦点。特别是在生命科学领域，如何平衡科学研究的需求与动物权益的保护，是一个需要深思熟虑的问题。类器官技术的发展，为这一伦理难题提供了一种潜在的解决方案。

减少动物实验的必要性

高度模拟人类生理环境：类器官能够在体外模拟人类器官的微环境，包括细胞之间的交流、细胞与基质的相互作用等，这减少了依赖动物模型来研究人类疾病的必要性。

提高研究效率和准确性：相较于动物模型，类器官可以更直接地反映人类疾病状态和药物作用效果，从而提高研究的效率和准确性，减少因动物与人类生理差异导致的研究误差。

伦理优势的体现

减轻动物痛苦：传统的动物实验往往涉及到对动物的伤害，包括手术、药物副作用等。使用类器官技术可以显著减少实验动物的使用，从而减轻动物痛苦。

符合伦理原则：减少动物实验的使用，符合“3R”原则（替代、减少、精细化）的伦理要求，有助于推动科学研究的可持续发展。

促进科学研究的伦理进步

推动伦理法规的完善：随着类器官技术的广泛应用，有望促进相关伦理法规的完善，建立更为科学、合理的研究标准。

提升公众科学认知：通过减少动物实验，提高研究的伦理标准，有助于提升公众对科学研究的认知和支持，促进科学与社会的和谐发展。

类器官的研究

肝脏类器官在疾病研究中的应用

肝脏疾病，包括肝炎、肝硬化以及肝癌等，一直是全球健康的重大挑战。传统的疾病模型在模拟肝脏病理过程及评估治疗效果方面存在局限，而类器官技术的出现，为肝脏疾病的研究带来了新的视角和方法。

利用来自患者或健康捐献者的肝细胞，研究人员可以在体外构建肝脏类器官，这些微型肝脏不仅能够模拟真实肝脏的结构，还能执行如代谢、分泌和药物解毒等多种功能。

细胞的多样性：构建肝脏类器官时，需要考虑到肝脏内不同类型的细胞，包括肝细胞、肝星状细胞、内皮细胞等，以确保模型的生理相关性。

微环境的模拟：通过模拟肝脏的微环境，包括细胞间的相互作用和营养供给，类器官能更准确地反映肝脏在疾病状态下的变化。

研究中的应用

疾病机制的解析：肝脏类器官为研究肝脏疾病的发病机制提供了有力的工具，特别是在研究病毒性肝炎和肝纤维化等疾病过程中，能够在细胞和分子水平上提供深入的见解。

药物筛选与评估：肝脏类器官在药物开发过程中的应用日益增多，尤其是在评估药物的毒性和代谢过程中，提供了比传统细胞模型更为准确的数据。

乳腺癌研究中的类器官模型

乳腺癌作为全球范围内女性最常见的恶性肿瘤之一，其研究一直是癌症研究领域的重点。随着类器官技术的发展，乳腺癌研究进入了一个新的阶段。类器官模型以其独特的优势，为乳腺癌的研究提供了新的视角和方法。

模拟肿瘤微环境：类器官模型能够复杂地模拟乳腺癌肿瘤的三维微环境，包括肿瘤细胞、基质细胞和免疫细胞的相互作用，这对于研究肿瘤的生长、侵袭和转移机制具有重要意义。

药物敏感性测试：利用乳腺癌的类器官模型进行药物筛选和敏感性测试，能够有效评估药物对特定肿瘤的疗效，为临床治疗提供指导。

基因编辑与治疗靶点发现：通过基因编辑技术，研究人员可以在类器官模型中敲除或敲入特定基因，探索乳腺癌的关键驱动因子和潜在的治疗靶点。

肠道类器官在肿瘤研究中的应用

肠道肿瘤，包括结直肠癌等，是全球范围内常见的恶性肿瘤之一。传统的肿瘤研究模型无法完全复制肠道内复杂的微环境和肿瘤生长的多样性。随着类器官技术的发展，肠道类器官为肠道肿瘤的研究提供了新的可能。

肠道类器官模拟了真实的肠道微环境，包括肠上皮细胞、肠道菌群以及免疫细胞等，能够用于研究肠道肿瘤的发生、发展和药物反应。

疾病机理研究：肠道类器官可用于探究肠道肿瘤的发病机理，如肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移过程，以及肿瘤微环境中细胞间的相互作用。

药物筛选和评价：在肠道类器官模型上测试新的化疗药物或靶向治疗药物，评估其对特定肿瘤标志物的影响，以及药物对健康细胞的毒性。

类器官研究的挑战

生长和维持的可重复性问题

在类器官技术的研究与应用中，生长和维持的可重复性是一个关键挑战。这个问题不仅关系到研究的准确性和可靠性，也直接影响到类器官在药物开发和疾病模型中的实际应用价值。

生长的可重复性挑战

细胞来源的差异：不同个体的细胞在生长速度、分化能力等方面存在差异，这导致即使是使用相同的方法，类器官的生长结果也可能不同。

培养条件的影响：培养基成分、氧气和二氧化碳浓度、温度等环境因素对类器官的生长有着直接影响。微小的变化都可能导致生长结果的差异。

技术操作的标准化：类器官的制备和培养涉及多个步骤，每一步的操作都需要高度的精确性和一致性。操作人员的技术水平和经验也会影响生长的可重复性。

维持的可重复性问题

长期培养的稳定性：随着培养时间的延长，类器官可能出现衰老、分化不完全或细胞类型失衡等问题，影响其稳定性和可重复性。

基因突变：在体外长期培养过程中，细胞可能发生基因突变，这可能导致类器官的生物学特性与初始状态存在偏差。

解决策略和未来方向

优化培养方法：通过精确控制培养条件和优化培养介质，提高生长和维持过程的标准化水平。

发展自动化技术：利用自动化技术进行细胞培养和操作，减少人为因素带来的差异。

建立质量控制体系：通过定期的基因组和表型分析，监控类器官的稳定性和可重复性，及时发现和纠正偏差。

技术复杂性和实验标准化需求

类器官的研究与应用，虽然在生物医学领域带来了革命性的进步，但其技术复杂性和实验过程的标准化需求仍然是研究人员面临的重大挑战。

技术复杂性

类器官的构建涉及多个步骤，包括细胞采集、培养、诱导分化以及三维结构的建立。每一步都需要精确的操作和专业的技术知识。此外，要模拟真实的器官功能，还需对细胞的微环境进行精细控制，包括营养供给、氧气和二氧化碳浓度、以及物理刺激等条件的模拟。

实验标准化需求

培养条件的一致性：为确保实验结果的可重复性，所有的培养条件包括温度、湿度、CO₂浓度等都需要严格控制，以避免微小的变化影响细胞的生长和分化。

操作流程的标准化：操作人员在类器官的制备和维护过程中，每一步骤都需要按照严格的标准执行，以减少人为因素带来的偏差。

数据收集与分析的统一：为了能够准确比较和分析实验结果，需要建立统一的数据收集和分析标准。

应对策略

技术培训与交流：通过定期的技术培训和学术交流，提高研究人员的专业技能，促进技术的标准化操作。

自动化与智能化：利用自动化设备和智能化管理系统，减少人工操作，提高实验的准确性和效率。

建立国际标准：与国际科研机构合作，建立和推广类器官研究的国际标准，促进全球范围内的研究合作和成果共享。

未来方向和创新

整合免疫系统：实现更完整的肿瘤模型

在类器官技术的发展过程中，如何有效地整合免疫系统，以构建更加完整和准确的肿瘤模型，成为未来研究的重要方向。免疫系统在肿瘤的发展、进展及治疗反应中扮演着至关重要的角色。因此，将免疫组分有效地融入类器官模型中，对于深入理解肿瘤生物学特性、评估免疫治疗策略以及发现新的免疫靶点具有重大意义。

免疫系统的模拟挑战

复杂的免疫环境：免疫系统由多种细胞类型组成，包括但不限于T细胞、B细胞、自然杀伤细胞和各类免疫调节细胞，每种细胞在肿瘤微环境中都有其独特的功能和作用机制。

动态的免疫反应：免疫系统对肿瘤的反应是动态变化的，包括免疫监视、免疫逃逸和肿瘤免疫编辑等过程，这些都需要在模型中得到有效模拟。

整合策略和技术进展

共培养技术：通过将肿瘤细胞与免疫细胞共同培养，模拟肿瘤与免疫系统之间的相互作用。这要求精确控制细胞比例、培养条件以及免疫激活状态。

微流控技术：利用微流控芯片技术建立复杂的肿瘤微环境，包括血流动力学特性和免疫细胞浸润，以更真实地模拟肿瘤在体内的生长状态。

基因编辑技术：应用CRISPR/Cas9等基因编辑工具，定向修改类器官中的细胞，引入特定的免疫相关基因或通路改变，从而研究它们在肿瘤免疫中的作用。

未来研究方向

免疫治疗模型的开发：建立更多具有特定免疫背景的类器官模型，用于评估免疫检查点抑制剂、CAR-T细胞疗法等免疫治疗策略的效果和机制。

免疫微环境的深度探索：深入研究肿瘤微环境中免疫细胞的行为，以及它们如何被肿瘤细胞操控，从而揭示免疫逃逸的新机制和潜在治疗靶点。

个性化免疫治疗：结合类器官技术和患者特定的免疫特性，开发个性化免疫治疗策略，提高治疗的精准度和效果。

高级成像与计算生物学的应用

在类器官的研究领域，高级成像技术和计算生物学的应用正在开辟新的研究前沿，这些技术的结合不仅提高了研究的精度和效率，还扩展了研究人员探索生命科学奥秘的能力。

高级成像技术的进步

高级成像技术，包括共聚焦显微镜、超分辨率成像、以及活体成像等，为研究人员提供了观察类器官微观结构和细胞行为的强大工具。这些技术能够以前所未有的分辨率捕捉到细胞内部的动态过程，包括细胞间的相互作用、信号传导路径的激活，以及药物作用的即时效果。

共聚焦显微镜：能够提供三维图像，帮助研究者深入理解类器官内部的复杂结构。

超分辨率成像：突破传统光学显微镜的分辨率极限，观察细胞内部的分子机制和细微结构。

活体成像技术：允许在接近生理条件下观察细胞行为，提供了研究生命过程的新视角。

计算生物学的角色

计算生物学通过构建生物系统的数学模型、进行大数据分析和模拟预测，为类器官研究提供了强有力的支持。这包括对大规模基因组数据的分析，以识别疾病的分子标志物和潜在的治疗靶点；通过模拟实验预测细胞行为和药物反应；以及利用机器学习算法从复杂数据中提取有用信息。

基因组学和转录组学分析：揭示类器官中细胞的基因表达模式，理解其在特定环境下的功能状态。

系统生物学模型：整合多层次生物信息，从整体上理解生物系统的功能和调控网络。

机器学习与人工智能：自动识别图像中的模式和特征，加速生物标志物的发现和药物筛选过程。

个性化医疗与类器官的角色

随着医学研究的深入，个性化医疗逐渐成为治疗各类疾病，特别是癌症的重要趋势。类器官作为一种新兴的研究模型，其在个性化医疗领域的应用展现出巨大的潜力和优势。

个性化医疗的需求

疾病异质性：即使是同一类型的疾病，在不同患者身上也可能表现出不同的生物学特性和治疗响应。

治疗定制化：基于患者特定的遗传信息、疾病状态和生物标志物来定制化治疗方案，以提高治疗效果，减少不必要的副作用。

类器官在个性化医疗中的应用

疾病模型的个性化构建：利用患者自身的细胞样本构建类器官，可以模拟特定患者的疾病状态，为研究其疾病机理和治疗反应提供了精准的模型。

药物反应的个体化评估：在个性化的类器官模型上测试不同药物，评估治疗效果和副作用，为患者定制最合适的治疗方案。

新治疗策略的开发与验证：在类器官模型上进行新治疗方法的测试，可以快速评估其安全性和有效性，加速新治疗策略的临床转化。

面临的挑战与未来展望

尽管类器官在个性化医疗方面展现出巨大的应用前景，但仍面临一些挑战，包括提高构建效率、降低成本、增强模型的稳定性和可靠性等。未来的研究需要在这些方面不断取得突破，以实现类器官在个性化医疗中的广泛应用。

技术创新：开发更高效、成本更低的类器官构建技术，提高模型的可用性和普及率。

数据分析与共享：建立全面的数据库，收集和分析类器官模型的大量数据，促进知识共享和研究协作。

伦理和法律问题：在个性化医疗应用中，需要妥善处理与患者隐私、数据保护相关的伦理和法律问题。

Q&A

类器官是什么？

类器官是一种通过细胞工程技术构建的微型三维结构，它们模拟人体器官的关键功能和微环境。这些微型器官可以从患者的细胞培养而来，能够复制器官的生理和病理特征，为研究人员提供了研究复杂疾病机理、药物筛选和治疗方法开发的新工具。

类器官如何帮助癌症研究？

类器官技术在癌症研究中具有革命性的意义。它们使得研究人员能够在实验室内模拟并研究肿瘤的生长环境，深入理解癌症的异质性和复杂性。此外，通过使用患者自身的肿瘤细胞创建类器官，研究人员可以更精准地评估不同治疗方法的效果，从而为患者量身定制治疗方案，推动个性化医疗的发展。这种方法不仅可以提高治疗的成功率，还能减少不必要的副作用，优化治疗过程。

类器官研究面临的主要挑战是什么？

类器官研究面临多方面的挑战，包括如何确保类器官能够准确模拟人体器官的生理状态和功能，如何提高类器官的复制性和可靠性，以及如何将这些研究成果转化为临床应用。此外，技术上的挑战如类器官的长期维持、微环境条件的精确控制，以及成本和资源的有效管理也是研究进展中需要克服的难题。

类器官的未来展望是什么？

类器官的未来展望十分广阔。随着生物工程、材料科学和计算模型等领域的快速发展，类器官有望更加精确地模拟人体器官的复杂结构和功能，从而为疾病模型、药物开发和个性化医疗提供强大的支持。未来，类器官可能不仅用于研究和测试，还能在再生医学和器官移植中发挥重要作用，极大地推动医疗卫生领域的进步。

原文链接

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