類器官技術(shù)在頭頸部腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)展

汪庚明，張 雷，孫 謙，周 燕

（1. 蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科；2. 蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院胸外科，安徽 蚌埠 233004）

頭頸部鱗狀細(xì)胞癌（Head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）是全球第六大常見惡性腫瘤，每年新發(fā)病例超過55 萬［1］。HNSCC 對(duì)患者飲食、呼吸及語言功能會(huì)造成直接影響。頭頸部解剖復(fù)雜且特殊，血供及淋巴引流豐富，易發(fā)生轉(zhuǎn)移，預(yù)后欠佳。而在我國，頭頸部腫瘤的發(fā)病率接近135.1/10 萬［2］。類器官是應(yīng)用體外3D 培養(yǎng)技術(shù)建立的小型組織，與對(duì)應(yīng)的器官擁有類似的空間組織及功能，從而提供一個(gè)高度生理相關(guān)系統(tǒng)［3-4］。由此可見，類器官技術(shù)在腫瘤的機(jī)制研究、干細(xì)胞研究、精準(zhǔn)治療等方面應(yīng)用前景廣闊。近年來，有關(guān)各類惡性腫瘤類器官的報(bào)道很多，但在頭頸部惡性腫瘤中類器官的研究較少，本文就類器官的研究進(jìn)展及其在頭頸部腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 類器官技術(shù)的研究進(jìn)展

類器官是一種微型的組織器官類似物，它在結(jié)構(gòu)和功能上都與體內(nèi)相應(yīng)器官有很大程度的相似。目前，多種類型類器官如腦、肺、胃腸道和肝腎等在體外已成功培養(yǎng)形成，其巨大的潛力得到了越來越多的開發(fā)。

1.1 腫瘤研究模型目前，腫瘤研究中最常用的模型有人源腫瘤細(xì)胞系異種移植（Cell derived xenograft，CDX）和人源性腫瘤組織異種移植（Patient-derived xenografts，PDX）。CDX 具有模型細(xì)胞系容易獲得、建模成本低等優(yōu)勢(shì)，但是研究者逐漸發(fā)現(xiàn)人源腫瘤細(xì)胞系經(jīng)長期體外培養(yǎng)后，其腫瘤細(xì)胞生物學(xué)行為及基因譜表達(dá)水平、腫瘤異質(zhì)性等都與原始腫瘤組織存在較大差異，從而在預(yù)測臨床藥效等方面不甚理想［5］。PDX 具有較高的瘤內(nèi)異質(zhì)性且保留了腫瘤間質(zhì)和干細(xì)胞成分，是較為接近人體實(shí)際情況的模型，從而提高了臨床結(jié)果的可預(yù)測性［6］。但PDX 建模難度高、構(gòu)建時(shí)間長且成功率不穩(wěn)定，隨著傳代次數(shù)的增加，腫瘤微環(huán)境也會(huì)逐漸被小鼠細(xì)胞外基質(zhì)所取代，因此傳代次數(shù)有一定限制。類器官是應(yīng)用體外3D 培養(yǎng)技術(shù)建立的小型組織［3］，其結(jié)構(gòu)和功能上類似于源器官。類器官具有以下特性：（1）含一個(gè)自我更新干細(xì)胞群［7］，組織內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自我更新；（2）細(xì)胞自組裝特性［8］；（3）生理活性［3］；（4）保持遺傳穩(wěn)定。由于以上特點(diǎn)，類器官能夠很好的模擬腫瘤的生物學(xué)特性、發(fā)展過程等，從而應(yīng)用于腫瘤的個(gè)體化治療等方面。

SATO T 等［9］最早從癌癥組織中建立類器官。他們以小鼠小腸培養(yǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)小鼠和人結(jié)腸培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。將Wnt3A 與生長因子聯(lián)合應(yīng)用于小鼠結(jié)腸隱窩，使其無限期擴(kuò)張，培養(yǎng)了小鼠Apc 缺陷性腺瘤、人類結(jié)直腸癌細(xì)胞和來自Barrett食管區(qū)域的人類化生上皮。BOJ SF 等［10］從正常和腫瘤性的小鼠和人胰腺組織建立了類器官模型。PAULI C 等［11］培養(yǎng)多種不同腫瘤的類器官模型，成功率達(dá)到39%。癌癥患者來源的腫瘤類器官的建立被認(rèn)為是一項(xiàng)重大突破。

1.2 類器官在腫瘤研究中的應(yīng)用

1.2.1 在腫瘤干細(xì)胞中的研究干細(xì)胞是一類具有無限的或者永生的自我更新能力的細(xì)胞，干細(xì)胞是人體組織、器官再生的基石。HAN ME 等［12］報(bào)道WNT、Notch、EGF、Hedgehog 和BMP 5 條信號(hào)通路調(diào)控胃干細(xì)胞的增殖與分化。SEIDLITZ T 等［13］成功的在體外建立了小鼠胃癌類器官模型，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行基因突變后的類器官依賴干細(xì)胞因子的程度顯著降低，克隆形成能力顯著增強(qiáng)。DEWARD AD 等［14］發(fā)現(xiàn)老鼠食道的基底細(xì)胞含有異質(zhì)的上皮細(xì)胞群，利用細(xì)胞表面標(biāo)記的組合，將原發(fā)性食管組織分離成不同的細(xì)胞群，這些細(xì)胞群具有不同的干細(xì)胞潛能。并利用類器官證實(shí)Sox-2、WNT 等可調(diào)節(jié)食管的自我更新，他們認(rèn)為非靜止干細(xì)胞群存在于小鼠食道的基底上皮中。

1.2.2 在腫瘤發(fā)生發(fā)展機(jī)制中的研究腫瘤的發(fā)生、發(fā)展乃至轉(zhuǎn)移是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程。在腫瘤發(fā)生過程中，應(yīng)用類器官技術(shù)可以模擬干細(xì)胞的生物學(xué)行為，評(píng)估信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以及調(diào)控基因?qū)δ[瘤發(fā)生、發(fā)展的影響，從而揭示該腫瘤發(fā)生發(fā)展的機(jī)制。類器官培養(yǎng)模型極大程度上保留了腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)的生物學(xué)特性和遺傳學(xué)特征，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)腫瘤研究模型的缺陷［15］。通過類器官技術(shù)，F(xiàn)UJII M等［16］模擬了結(jié)腸癌發(fā)生、發(fā)展的過程。一些學(xué)者對(duì)結(jié)腸癌類器官進(jìn)行某種基因修飾，模擬相似的基因圖譜，從而形成了精確的侵襲性結(jié)腸癌模型，為研究結(jié)腸癌的發(fā)病機(jī)制和特異性基因功能提供平臺(tái)。食管鱗狀細(xì)胞癌常見的組織學(xué)前體病變中有鱗狀細(xì)胞非典型增生，WHELAN KA 等［17］通過建立小鼠食管鱗狀細(xì)胞癌類器官的模型，結(jié)合細(xì)胞譜系追蹤技術(shù)，證實(shí)食管鱗狀細(xì)胞癌的細(xì)胞來自基底角質(zhì)形成細(xì)胞。CHEN Y 等［18］的研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)ERG基因的小鼠前列腺類器官組織學(xué)上為正常管腔結(jié)構(gòu)，敲除Pten 基因的為高級(jí)別上皮內(nèi)瘤變，而敲除表達(dá)ERG 和Pten 基因則為浸潤性前列腺癌。NANKI K等［19］觀察到敲除CDH1 基因后，類器官組織學(xué)形態(tài)會(huì)發(fā)生改變，類似于低分化彌漫型胃癌。HILL SJ等［20］檢測了來自22 例高級(jí)別漿液性卵巢癌患者的33 種器官樣培養(yǎng)物在同源重組和復(fù)制叉保護(hù)方面的缺陷。發(fā)現(xiàn)無論DNA 修復(fù)基因突變情況如何，類器官中HR的功能缺陷與PARP抑制劑敏感性相關(guān)。

1.2.3 在腫瘤精準(zhǔn)治療方面的研究精準(zhǔn)醫(yī)療是以個(gè)體化醫(yī)療為基礎(chǔ)，隨著基因組測序技術(shù)快速發(fā)展以及生物信息與大數(shù)據(jù)科學(xué)的交叉應(yīng)用而發(fā)展起來的新興醫(yī)學(xué)概念與診療模式。類器官能更真實(shí)的反應(yīng)人體實(shí)際情況，對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療有重要作用。VLACHOGIANNIS G 等［21］利用轉(zhuǎn)移晚期的結(jié)直腸癌患者的活組織樣本培養(yǎng)的類器官，其表型與原發(fā)腫瘤有高度的相似性，腫瘤組織器官的分子分析與藥物篩選結(jié)果也相匹配。他們比較了在類器官中抗癌藥物的體外反應(yīng)和臨床試驗(yàn)中患者的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)類器官可以再現(xiàn)臨床上患者的反應(yīng)，可能實(shí)現(xiàn)腫瘤患者個(gè)性化的診療。GAO D 等［22］建立了7種亞型前列腺癌的3D類器官系統(tǒng)，觀察其對(duì)抗恩雜魯胺和醋酸阿比特龍的敏感度，結(jié)果顯示治療效果與體內(nèi)試驗(yàn)完全一致。另有研究也證實(shí)類器官可以用于藥物篩選［23-24］。與患者實(shí)際療效進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測抗腫瘤藥物的有效性和指導(dǎo)臨床用藥方面，類器官具有100%的敏感性、93%的特異性、88%的陽性預(yù)測值以及100%的陰性預(yù)測值，因而類器官技術(shù)可被用來開發(fā)具預(yù)測性的生物標(biāo)志物［21］。

2 類器官在頭頸部腫瘤中的應(yīng)用

頭頸部解剖較為復(fù)雜，血供及淋巴引流十分豐富，故而頭頸部腫瘤易發(fā)生轉(zhuǎn)移，預(yù)后欠佳，早診斷早治療探索空間較大。然而，缺乏理想的腫瘤研究模型是制約研究HNSCC的發(fā)生發(fā)展機(jī)制、藥物開發(fā)與篩選以及個(gè)體化治療的重要因素之一，類器官則較好地解決了這一問題。SHAH AT 等［25］將細(xì)胞代謝的光學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用于頭頸部腫瘤的類器官培養(yǎng)。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，它利用還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸［Nicotinamide adenine dimcleotide phosphate，NAD（P）H］和黃素腺嘌呤二核苷酸（Flavine adenine dinucleotide，F(xiàn)AD）在單個(gè)細(xì)胞水平上的固有熒光來測量細(xì)胞代謝，從而建立了三維體外模型。結(jié)果表明，光代謝成像對(duì)治療后1 天的治療反應(yīng)十分敏感，并能解決具有明顯代謝表型的細(xì)胞亞群，該平臺(tái)可以提供一個(gè)敏感的高通量分析，以簡化HNSCC 藥物篩選過程。使用與腫瘤靶向分子偶聯(lián)的光敏劑的靶向光動(dòng)力療法（Photodynamic therapy，PDT）已被認(rèn)為是更具選擇性的癌癥治療方法。DRIEHUIS E 等［26］發(fā)現(xiàn)表皮生長因子受體（Epidermal growth factor receptor，EGFR）的表達(dá)水平在源自不同供體的HNSCC類器官之間有所不同，且EGFR 表達(dá)水平與針對(duì)EGFR 靶向的PDT 的反應(yīng)相關(guān)，從周圍正常組織生長的類器官比其腫瘤對(duì)應(yīng)物顯示出較低的EGFR 表達(dá)水平，并且不受治療的影響。故而認(rèn)為，患者衍生的HNSCC類器官是用于測試體外靶向PDT 的3D 模型。TANAKA N 等［27］用43例HNSCC患者標(biāo)本建立了類器官，這些類器官顯示出與原發(fā)腫瘤相似的組織學(xué)特征和干細(xì)胞、上皮細(xì)胞及間充質(zhì)標(biāo)志物的表達(dá)。用藥物敏感性和克隆生存試驗(yàn)測定順鉑和多西紫杉醇IC50 對(duì)HNSCC 類器官和相應(yīng)的2D細(xì)胞系的影響，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)藥物治療的反應(yīng)與體外藥物敏感試驗(yàn)顯示IC50 相似。因此認(rèn)為，這些類器官可以預(yù)測體內(nèi)藥物敏感性，可能是開發(fā)HNSCC 精準(zhǔn)治療的有用工具。DRIEHUIS E等［28］建立了31 個(gè)HNSCC 的類器官，觀察了其對(duì)順鉑、卡鉑、西妥昔單抗的一組藥物的不同反應(yīng)，顯示了較好的一致性。不僅如此，其中7 例患者接受了放射治療，其中3 例放射治療后復(fù)發(fā)，而3 個(gè)相應(yīng)的類器官系在體外放射治療中也是最具抵抗力的。放射治療敏感性最高的類器官對(duì)應(yīng)的患者對(duì)放射治療也有持久的反應(yīng)。從而證實(shí)，類器官不僅可以用來預(yù)測藥物的有效性，也可以預(yù)測對(duì)放射治療的敏感性。

3 總 結(jié)

綜上所述，類器官技術(shù)是一種新興的體外研究模型技術(shù)，可以模擬源器官以及腫瘤的組織結(jié)構(gòu)、生物學(xué)特性，可以在HNSCC 的發(fā)生發(fā)展機(jī)制研究、抗腫瘤藥物篩選以及精準(zhǔn)治療等方面發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景十分廣闊。但該技術(shù)在HNSCC上報(bào)道較少，我們期待在將來類器官技術(shù)能在HNCSS 的臨床研究中發(fā)揮更大的作用。