引領生物科技,創造健康生活

Professional

Biological science research

And development team

忠實科學,成就健康;以德立商,誠信共生

True science, health achievements; by virtue of business credit

肿瘤类器官 基因组学,个性化治疗未来可期

 
 
早筛网讯测序技术的进步推动着精准医学的发展。其中,类器官(Organoids)技术在2013年被Science誉为十大科技进展,2017年又被Nature Methods评为生命科学领域的年度技术。所谓类器官,是一种三维(3D)细胞培养物,其结构和功能特性与其来源的组织和器官高度相似

如今,研究人员能够基于测序技术在个体肿瘤水平上识别驱动肿瘤发展和进展的基因突变。然而,由于缺乏临床相关模型,将这些信息与有效疗法配对的能力仍然有限,特别是对于罕见的癌症。而利用类器官模型进行个性化药物敏感性的初步检测,同时通过基因组技术获取患者的基因信息,结合其遗传特征制定个性化治疗方案,这样的方法为我们筛选药物、评估潜在治疗方法提供了新的技术方法。
 
如何利用基因组学结合高保真患者来源类器官,快速筛选肿瘤药物,帮助患者寻找有效治疗,成为目前研究的一大热点。近日,美国顶尖医学院纽约西奈山伊坎医学院的助理教授 Benjamin Hopkins博士在采访中发表了自己的见解。
 
Benjamin D.Hopkins博士,基因组学和遗传学及肿瘤学助理教授,Tisch癌症研究所功能基因组学管道的联合负责人
 

精准肿瘤学双管齐下

 

 
“我们团队关注两个基本问题:对于癌症患者来说,最好的药物是什么。以及新兴疗法的最佳患者群体是哪些人?” Hopkins 博士表示。“为了回答这两个问题,我们使用了三维(3D)肿瘤类器官模型。” 
 
这些 3D 模型是在实验室使用西奈山医院患者的肿瘤样本开发的活体癌症组织的体外复制品。通过将转录组学与自动化的高通量筛选平台(统称“功能基因组学管道”,the Functional Genomics Pipeline)相结合,Hopkins 博士的团队致力于确定导致肿瘤特异性药物敏感性的分子机制。 
 
Hopkins解释说:“通过高内涵成像(high-content imaging),观察肿瘤类器官在正常条件下如何生长;以及随着时间推移,不同药物作用下它会发生怎样的变化,例如生长变化或细胞死亡增加。基于选定的致敏药物,我们通过RNA测序观测这些药物在肿瘤中引起的变化,以及联合药物筛选来识别针对特定途径的药物。” 
 
这样的肿瘤类器官与对应的亲本器官拥有类似的空间组织,能很好地保留亲本肿瘤样本的基因组学和遗传学特性,从而保留亲本肿瘤的异质性。由此,这种方法有助于快速进行药物筛选,指导临床用药,改善患者预后。“有很多药物显示具有良好的临床作用,但不一定会杀死肿瘤细胞,”Hopkins解释道。“结合基因组学观察其功能,我们能够了解试验中第一种药物正在发生什么变化,并确定其后补充哪种药物——该药主要针对肿瘤细胞逃避第一种药物的途径。”
 
除了确定有效的药物组合外,该团队还通过反向筛选( inverse screening)确定哪些患者最有可能对现有疗法和新型疗法产生所需的特定反应。“在这里,我们不是针对药物库进行筛选,而是选择一种药物并针对库中的患者进行筛选,”Hopkins 还补充说,“这两种筛选方式主要针对我们感兴趣的四种肿瘤:非小细胞肺癌、肌肉浸润性膀胱癌、转移性肾癌和乳腺癌。”
 

开发高保真肿瘤类器官

 
与任何涉及人体样本的研究一样,确保实验的一致性和可重复性对于生成临床相关数据至关重要。因此,对于Hopkins团队来说,如何选择合适的培养容器、基质和试剂,进而批量开发类器官模型显得尤为重要。据了解,该团队开发的类器官模型是使用Corning® Matrigel®基质培养的,并安装在专门为高内涵成像设计的玻璃底Corning® 96孔无菌微孔板中。
 
使用MITOTRACKER对患者来源的肿瘤类器官进行63X染色,图片©Genesis Lara Granados
 
“Corning Matrigel矩阵非常统一,”Hopkins表示。“只要知道样本蛋白质的含量,我们就有理由期待每个批次会有非常相似的结果。而这对于产生一致的、可重复的类器官结果至关重要。”
 
培养出适合的类器官后,该团队将会进行多项保真度检查(包括配对基因组和病理学比较),以确保模型与原肿瘤样本具有一致性。在认识到高保真类器官生成的替代策略(包括使用脱细胞基质)的同时,Hopkins指出,基于Matrigel基质培养的一个关键优势是高通量。“能够重复生成肿瘤,这使我们能够每周为管道中的特定肿瘤拍摄多达480000张图像,”他说。“在分析中,矩阵作为变量消除掉。考虑到3D类器官固有的方差水平,这对于我们的分析是非常有帮助的。”
 

3D细胞培养的优势

 
3D细胞培养比传统的二维模型更准确全面地呈现其体内状态,更好地揭示类器官的形成状态和整体结构在过去十余年中被广泛应用。
 
对于Hopkins的研究,这种方法的好处是显而易见的。“得益于其3D结构,我们能够以更高的保真度窥见肿瘤对给定治疗的反应,以及基质、细胞外环境或其他细胞类型如何促成治疗反应,”他解释说。“二维模型通常无法捕捉细胞与其基质之间的相互关系,这意味着可能会错过一些介导药物敏感性的重要信息。” 
 

未来展望

 
随着精准肿瘤学领域发展的势头越来越大,Hopkins认为,类器官在积极的临床评估中发挥着重要作用,帮助改善患者预后。许多实验室已经在进行药物的快速高通量筛选,以分析肿瘤的药物敏感性,为患者寻找“筛药替身”,例如Hopkins团队的试实验室。“例如,胰腺癌有两种主要的治疗标准,但我们目前没有一个好的方法来确定哪些患者应该得到什么样的结果,”他表示。“基于类器官的方法周转相对快速,可以确定患者对多种治疗药物的敏感性,以及这与其他患者的临床反应之间的关系。” 
 
从长远来看,Hopkins认为类器官模型结合转录组学数据对临床试验有重要的参考价值。“这些类型的数据集可以使临床试验与所需反应的生物标志物相结合,而不是让患者服用药物直到治疗失败。因此,不太可能做出反应的患者可以更早地被识别、分层,然后进入二次试验。” 
 
Hopkins总结道:“总之,肿瘤类器官的作用机制可以让更多的药物得以更方便地检测,还可以更好地针对特定的肿瘤亚群,更快地为患者带来有效的治疗方法。”
 
论文来源:https://www.selectscience.net/editorial-articles/identifying-tumor-specific-cancer-treatments-using-patient-derived-tumor-organoids/?artID=56800