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2022-10
引文
膠質母細胞瘤（GBM）是成年人原發(fā)性惡性腦腫瘤中的最常見形式，由于GBM具有很強的侵襲性和較高的惡性程度，通常預后很差。缺乏再現(xiàn)人腦復雜性的體外模型是神經(jīng)腫瘤學和神經(jīng)病學領域的主要研究障礙。因此，開發(fā)創(chuàng)新模型來有效地再現(xiàn)GBM的復雜表型對于GBM轉化研究至關重要。
近年來新型的3D類器官和細胞培養(yǎng)系統(tǒng)為GBM疾病建模提供了新的可能，并被應用到了疾病工程、藥物篩選、建立活體Biobank和探索個性化治療等多個方向。這些模型通過使用CRISPR/Cas9技術進行基因修飾，可研究與膠質瘤發(fā)生相關的關鍵基因的特定作用，而與GBM細胞建立共培養(yǎng)系統(tǒng)可以作為了解其侵襲行為一種方式。
2D與3D GBM模型對比
在疾病模型中，2D細胞培養(yǎng)模型最簡便且應用最為廣泛。長期以來，U87、U251和T98G細胞系也是研究GBM生物學的最為常用的工具，但在研究較為復雜的疾病時，2D模型存在一定的局限性，血清培養(yǎng)基可能會導致基因組和轉錄組水平改變，將細胞系植入免疫功能缺陷小鼠體內(nèi)產(chǎn)生的腫瘤無法重現(xiàn)許多經(jīng)典的GBM表型，如：彌漫浸潤、微血管增生和壞死等。
2D培養(yǎng)與3D培養(yǎng)
長期以來，一直認為GBM起源于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的成熟的膠質細胞。然而，新的研究結果表明，GBM來源于位于大腦腦室下區(qū)的神經(jīng)干/祖細胞，GBM中存在一種具有干細胞特性的細胞亞群，稱為膠質母細胞瘤干細胞（GSCs），它對治療的耐藥性和抗性密切相關。GBM的典型特征之一是廣泛浸潤周圍的腦實質，GBM細胞侵入健康腦組織是腫瘤細胞與由小膠質細胞、巨噬細胞、星形膠質細胞、少突膠質細胞、神經(jīng)元、膠質和神經(jīng)祖細胞、周細胞、內(nèi)皮細胞和細胞外基質（ECM）組成的微環(huán)境成分之間復雜相互作用的結果。因此這也使得GBM的體外建模更具挑戰(zhàn)性。
近年來，3D類器官由于可以在結構和功能上與親代組織保持高度的一致性，能夠長期培養(yǎng)、穩(wěn)定遺傳等優(yōu)勢成為具有潛力的疾病模型。并成功建立了病人來源的膠質母細胞瘤類器官，且所建立的類器官可以保留膠質母細胞瘤形態(tài)學特征——包括對研究各種療法原發(fā)性和后天耐藥性極其重要的GFAP和嵌套標記腫瘤微管（TM）等[患者來源腫瘤類器官指導復發(fā)膠質母細胞瘤的個性化治療]。這些都是評估藥物反應模型中尤其重要的方面。3D培養(yǎng)技術成功對膠質母細胞瘤進行疾病建模，同時體現(xiàn)出其獨有的優(yōu)勢與潛力。
大腦類器官
1) Lancaster和Knoblich從人多能干細胞中生成大腦類器官（COs），成功構建的COs與人類大腦的內(nèi)源性發(fā)育程序非常相似，可作為研究大腦發(fā)育早期事件的優(yōu)秀模型。此外，COs還可用于多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的建模，如小頭畸形和神經(jīng)惡性腫瘤(GBM和原始神經(jīng)外胚層腫瘤)等。
2) Bian等人的研究使用轉座子和CRISPR/Cas9引入COs的致癌突變，這些腫瘤性腦類器官適合研究腫瘤生物學的侵襲性、藥物反應等。
3) Ogawa等人利用CRISPR/Cas9技術，通過同源重組TP53位點構建HRasG12V IRES tdTomato人類膠質瘤COs的腫瘤模型。它誘導COs中細胞的腫瘤轉化，使細胞具有侵襲性，并破壞了周圍的類器官結構。將轉化細胞原位植入免疫缺陷小鼠體內(nèi)，產(chǎn)生了一種具有間充質特征的高度侵襲性腫瘤。這種侵襲性間充質腫瘤的產(chǎn)生展現(xiàn)了間充質轉化和相關腫瘤侵襲的分子介質的特性。
4) Linkous等人構建的大腦器官樣膠質瘤（GLICO）模型，通過GSCs和COs共培養(yǎng)讓GSC侵襲COs后增殖，形成與患者GBM相似的腫瘤。GLICO模型是極佳的人體外原代GBM建模系統(tǒng)，并可作為一個有前景的高通量藥物篩選平臺。
熱評:
通過人類多能干細胞生成的大腦類器官與大腦的內(nèi)源性發(fā)育程序非常相似，是作為研究大腦早期發(fā)育的優(yōu)秀模型，經(jīng)過與不同的技術結合，大腦類器官為科研、臨床和藥物篩選提供了有前景的平臺。
患者來源膠質母細胞瘤類器官
許多臨床試驗結果不良都與腫瘤間和腫瘤內(nèi)分子異質性有關。建立能夠保留腫瘤異質性的GBO能為CBM患者的個體化治療提供至關重要的策略和經(jīng)驗。
1) Fadi等人用GBM樣本生成GBM類器官（GBO）模型，GBO保留了其相應原代腫瘤的諸多關鍵特征，也再現(xiàn)了其腫瘤間和腫瘤內(nèi)的異質性。因此GBO可以應用在預測臨床治療和靶向治療的反應。
2) Yi等人由GBM樣本、內(nèi)皮細胞和脫細胞的腦ECM進行生物打印，位于分隔的癌間質同心環(huán)結構中，維持徑向氧梯度。這種GBM芯片模型可有助于識別對標準一線治療耐藥的GBM患者的有效治療。
熱評:
腫瘤異質性一直是困擾膠質母細胞瘤臨床用藥和影響患者預后性的重要因素之一。GBO為GBM提供了一個優(yōu)秀的模型。而選擇患者來源組織直接構建類器官進行藥物敏感性測試，可以輔助確立最適合該患者的個體化用藥方案，對患者化療療效進行評估，輔助繼發(fā)/實體腫瘤患者指定用藥方案。
胎腦聚集物模擬膠質母細胞瘤侵襲
鼠胎腦聚集物（FBA）3D培養(yǎng)系統(tǒng)的建立可以在多個形態(tài)學方面模仿發(fā)育中的大腦，在GBM細胞系和FBA之間建立的共培養(yǎng)模型中，F(xiàn)BA是驗證GBM細胞侵襲的有效模型，腫瘤細胞侵襲FBA的模式與體內(nèi)環(huán)境中看到的模式相似。而另一個研究發(fā)現(xiàn)，酪氨酸激酶抑制劑的使用可以減少GBM細胞對FBA的侵襲。
熱評:
FBA模型易于生成，具有成本效益，它可以作為一個極好的平臺來研究GBM在體外的侵襲，用來揭示GBM侵入正常大腦的機制。
應用基因編輯的類器官疾病模型
為了充分發(fā)揮類器官的潛力，研究者將基因編輯應用在類器官模型中來研究疾病環(huán)境中的基因功能。CRISPR/Cas9在編碼序列中引入或刪除堿基對的方法為目標基因設計特定的向導RNA（sgRNA）。通過對DNA的編輯與剪接，按照計劃改變目標基因，但它通常會導致功能突變的缺失。它被應用于2D或3D系統(tǒng)，用以誘導靶基因突變。然而，這種方法由于sgRNAs和Cas9蛋白的傳遞而被反復使用，以引入DNA斷裂。通常，在類器官中編輯CRISPR會產(chǎn)生大量野生型和突變細胞，這使結果的解釋變得復雜。CRISPR/Cas9技術仍然是一種新方法，該方法的傳遞和精度也在迅速提高，以提高效率并最小化偏離目標的影響。
熱評:
基因編輯方法的很大地改進了包括類器官在內(nèi)的疾病模型，通過利用CRISPR技術，可以獲得特定基因型的類器官。但由于載體系統(tǒng)的傳遞效率等原因，2D培養(yǎng)更適合基因編輯操作，但類器官的3D結構在與CRISPR技術結合后又可以彌補2D不能解決的問題，為還原更加復雜的疾病開辟道路。
精科亮點
精科醫(yī)學作為國內(nèi)類器官技術轉化先行者，我們在類器官培養(yǎng)上積累了豐富的經(jīng)驗，涵蓋了乳腺癌、肺癌、胃腸癌、肝癌、膀胱癌、前列腺癌、腎癌、甲狀腺癌、卵巢癌、宮頸癌、骨肉瘤以及腦腫瘤等多種實體腫瘤。其中基于活檢組織的微量建模培養(yǎng)成功率極高，同時可以實現(xiàn)穿刺標本的“一樣兩檢”（類器官藥敏＋NGS）。精科擁有自主研發(fā)的類器官培養(yǎng)技術，能夠有效地延長樣本保護期，擴大地域覆蓋面。此外我們還和多家醫(yī)院和科研機構開展科研與臨床合作。目前我們已經(jīng)在類器官建模方法、類器官鑒定、藥物敏感性檢測方法、類器官共培養(yǎng)等多個重要技術上實現(xiàn)突破，并已建立相關的實驗室標準。
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