卵巢癌類器官模型的研究進展和治療新策略

孫阜圣 徐冶 張永健 綜述 婁閣 審校

卵巢癌是全球女性生殖系統(tǒng)三大惡性腫瘤之一，嚴(yán)重威脅著女性的生命健康[1-2]。最常見的卵巢癌細胞類型是卵巢癌高級別漿液性腺癌。雖然近年來治療手段有了不斷改進和提升，但卵巢癌治療后5年生存率僅為20%～40%，死亡率高達80%[3-4]。卵巢癌早期癥狀不明顯，75%的患者發(fā)現(xiàn)即是Ⅲ期或Ⅳ期[5]。70%～80%的患者出現(xiàn)復(fù)發(fā)，患者化療耐藥性增加[6-7]。而相比較下，乳腺癌5年生存率高達91%，10年生存率高達84%[8-9]，卵巢癌的治療效果沒有想象中令人滿意。

隨著個體化醫(yī)療的推行，臨床醫(yī)生為患者決定屬于每個患者獨有的個體化的治療方案，從而降低卵巢癌的死亡率[10-11]，但是每一種治療方案的選擇不一定是這個患者的“最佳選擇”。識別能夠預(yù)測治療反應(yīng)的生物標(biāo)志物和或?qū)嶒災(zāi)Ｐ鸵阎鸩匠蔀榕R床的優(yōu)先事項[12-13]。類器官的出現(xiàn)為人類生物學(xué)研究提供了新的方法，此類研究正在不斷發(fā)展進步中。類器官可以被應(yīng)用到卵巢腫瘤的基因分析和藥物篩選等各方面研究，為卵巢癌臨床前研究提供了一個新的平臺。

1 類器官模型臨床試驗研究進展

類器官是指在體外三維(3D)環(huán)境中生長的細胞，形成微型細胞簇，自我組織并分化為功能細胞類型團，包含了體內(nèi)器官的結(jié)構(gòu)和功能。類器官可以從胚胎干細胞、誘導(dǎo)多功能干細胞、新生兒或成體干細胞中獲得，其過程類似于器官獲得其獨特組織的方式[14-15]。在過去2～3年對于卵巢癌類器官的不斷研究中，我們不難發(fā)現(xiàn)卵巢高級別漿液性腺癌類器官能夠在固定的時間內(nèi)持續(xù)精準(zhǔn)地復(fù)制腫瘤的許多本質(zhì)特征[4]。在此基礎(chǔ)上，我們可以把類器官作為一種臨床試驗工具，通過類器官實驗以指導(dǎo)治療方法的選擇，并在不久的將來改善對卵巢癌患者的管理。類器官可以用于模擬器官發(fā)育和疾病，并在基礎(chǔ)研究、藥物發(fā)現(xiàn)和再生醫(yī)學(xué)中被廣泛地應(yīng)用[16-17]。卵巢癌類器官的構(gòu)建也同樣為卵巢癌臨床前研究提供了一個新的平臺[18]。

2 卵巢癌類器官的相關(guān)臨床試驗研究

2.1 保持腫瘤異質(zhì)性

類器官模型可以更好地體現(xiàn)原發(fā)腫瘤的形態(tài)異質(zhì)性，包括組織學(xué)特點和分化變化[19]。之前研究發(fā)現(xiàn)從卵巢癌患者中取得的卵巢癌組織、腹水或者轉(zhuǎn)移性卵巢癌的胸水所構(gòu)成的卵巢癌類器官模型即使在傳代幾代后仍然能夠高度表達原代腫瘤組織的特征[20]。相關(guān)報道顯示，來自各種類型的卵巢癌類器官模型精確表達了原代腫瘤的組織學(xué)特征和腫瘤異質(zhì)性[21]。有研究表明，在32例卵巢癌病例的56個類器官系的單細胞DNA測序分析中顯示，即使在長時間傳代后，卵巢癌類器官仍能準(zhǔn)確地完成BRAF、KRAS、PTEN、CDKN2A/B、TP53和RB1等基因的突變表達[22]。

2.2 模擬腫瘤缺氧微環(huán)境

腫瘤缺氧是腫瘤微環(huán)境最重要的特點之一。缺氧可以促進化療耐藥和降低靶向藥物的有效性，已經(jīng)公認(rèn)為腫瘤治療的新靶標(biāo)。查閱文獻所知，我們總結(jié)歸納了惡性腫瘤細胞的特征有以下幾點，例如腫瘤細胞存在自給自足的生長信號、腫瘤細胞對生長抑制信號的不敏感、腫瘤細胞抵抗細胞死亡、腫瘤細胞基因組不穩(wěn)定和突變等特點[23]。其中，基因組的不穩(wěn)定會產(chǎn)生腫瘤的異質(zhì)性，被認(rèn)為是不同腫瘤細胞對藥物敏感性不同的主要原因[24]。相關(guān)實驗表明，可以通過構(gòu)建卵巢高級別漿液性腺癌類器官來驗證腫瘤浸潤肥大細胞對抗程序性細胞死亡蛋白1(PD-1)治療的影響，并通過類器官模型成功模擬腫瘤免疫抑制微環(huán)境，以便于預(yù)測腫瘤浸潤細胞基質(zhì)增多與免疫抑制性腫瘤微環(huán)境相關(guān)性[25]。越來越多的科學(xué)家通過構(gòu)建類器官模型，來剖析模擬腫瘤微環(huán)境并研究癌癥的發(fā)展和進展以及疾病治療中的應(yīng)用[26]。

2.3 模仿腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移

由于類器官模型能夠高度還原原代腫瘤細胞的遺傳異質(zhì)性，我們可以通過卵巢癌類器官模型來模仿腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。相關(guān)實驗表明，通過從原代患者卵巢癌腫瘤細胞提取形成盤中轉(zhuǎn)移瘤培養(yǎng)物的方式構(gòu)建肺類器官，從而研究轉(zhuǎn)移的腫瘤細胞的定植和生長，以便確定防止癌細胞定植的有效方法[27]。Hart等[28]通過構(gòu)建卵巢癌類器官模型來研究卵巢癌早期轉(zhuǎn)移主要步驟并分析其作用機制。Zhang等[29]通過使用基因工程小鼠模型和構(gòu)建類器官，評估了輸卵管上皮和卵巢表面上皮具有相同致癌異常的腫瘤形成特性，進而研究卵巢癌的發(fā)生和起源。

2.4 藥物篩選和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)

相較于傳統(tǒng)細胞系的藥物篩選，由于腫瘤細胞在傳代過程中的突變較多，使得藥物實驗篩選的失敗率明顯升高。而正因為類器官的遺傳異質(zhì)性，它能精確地表達完整的基因序列。近年來，患者來源的腫瘤類器官在藥物測試方面具有良好的應(yīng)用，在抗癌藥物的高通量篩選方面具有巨大潛力[30]。McCorkle等[31]通過建立紫杉醇耐藥型細胞系和卵巢癌類器官模型，證明了拉帕替尼和波齊替尼對紫杉醇誘導(dǎo)的ABCB1轉(zhuǎn)運蛋白活性的直接抑制的理論。拉帕替尼和波齊替尼聯(lián)合紫杉醇在體外協(xié)同抑制過表達ABCB1的卵巢癌細胞增殖。將美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)的拉帕替尼添加到二線紫杉醇治療中是治療復(fù)發(fā)性卵巢癌患者的一種有前景的策略。Gorski等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在初次或間歇性減瘤手術(shù)時從患者身上開發(fā)的患者來源的腫瘤類器官可用于預(yù)測臨床鉑敏感性狀態(tài)或研究卡鉑耐藥的驅(qū)動因素。Wan等[33]通過構(gòu)建獨特的雙特異性PD-1/程序性死亡配體1(PD-L1)處理新型卵巢癌類器官模型并對其培養(yǎng)物進行免疫功能和單細胞RNA測序轉(zhuǎn)錄分析。他們通過比較藥物在所有免疫細胞中的功能，確定可用的單特異性療法無法實現(xiàn)的關(guān)鍵性免疫檢查點阻斷目標(biāo)，并利用雙特異性抗體在T細胞和NK細胞中誘導(dǎo)細胞狀態(tài)的變化，成功地發(fā)現(xiàn)在用免疫療法治療的卵巢癌過程中，NK細胞和小部分CD8+T細胞可以通過進入活性和細胞毒性狀態(tài)來增強治療效果。類器官模型為今后的治療藥物的篩選及個體化治療方案的確定提供新的方向。

2.5 基因編輯系統(tǒng)和模擬疾病

由于卵巢癌類器官模型可以精準(zhǔn)地表達腫瘤的基因?qū)傩?，我們可以通過構(gòu)建卵巢癌類器官來進行預(yù)測腫瘤耐藥性的相關(guān)研究。Hill等[34]通過構(gòu)建類器官模型，對其中的DNA進行功能分析，測試了來自22例卵巢高級別漿液性腺癌患者的33種類器官培養(yǎng)物的同源重組(HR)和復(fù)制叉保護缺陷。研究發(fā)現(xiàn)無論DNA修復(fù)基因突變狀態(tài)如何，類器官同源重組的功能缺陷與PARP抑制劑敏感性相關(guān)；復(fù)制叉保護的功能缺陷與卡鉑、CHK1和ATR抑制劑敏感性相關(guān)?；蚪M分析和類器官功能測試的結(jié)合可識別靶向的DNA損傷修復(fù)缺陷。Zhang等[35]通過慢性病毒基因傳導(dǎo)CRISPR/Cas9誘變對小鼠輸卵管上皮細胞進行工程改造，生成了多個卵巢癌類器官模型，通過模型進行突變組合，并利用卵巢癌類器官揭示了腫瘤細胞體外增殖分化、基因拷貝數(shù)畸變以及致瘤性的差異。由于卵巢癌類器官模型顯示出的高度基因相似性，研究者們可通過對類器官產(chǎn)生的趨化因子和細胞因子進行調(diào)節(jié)，利用藥物敏感性和DNA修復(fù)之間的缺陷關(guān)系，指導(dǎo)藥物測試和篩選，促進卵巢癌臨床化療或免疫治療方案的開發(fā)[36]。

3 卵巢癌類器官樣本庫的建立

卵巢癌類器官模型生物標(biāo)本庫是不同的亞型和等級的卵巢癌癌癥類器官，它既可以冷凍保存，又能夠在體外快速獲得，且具有高成本效益和良好的增殖能力的組織模型。迄今為止，婦科腫瘤學(xué)研究者們在卵巢癌類器官生物庫的構(gòu)建方面付出了巨大的努力。Hoffmann等[37]的研究在 Wnt低表達的條件下成功地從13～45例患者中產(chǎn)生了15條類器官(效率約為30%)，用于長期傳代培養(yǎng)。冷凍保存超過5個月，每10～20天對卵巢癌類器官進行傳代。研究表明即使經(jīng)過多次解凍和冷凍循環(huán)后，類器官也不會發(fā)生形態(tài)學(xué)或增殖能力的顯著變化。因此卵巢癌類器官適用于構(gòu)建生物庫，用于探索個體治療耐藥性和藥物敏感性，并可朝著為患者量身定制的卵巢癌治療方向發(fā)展。

4 類器官的局限性

盡管在類器官方面取得了創(chuàng)新，但這種創(chuàng)新技術(shù)仍然存在一些缺點。首先，大多數(shù)類器官僅由上皮層組成，沒有包含間充質(zhì)、神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉層和免疫細胞的生理微環(huán)境[38]。盡管目前的類器官技術(shù)仍然不允許對生化和生物物理因素進行實時時空控制，但共培養(yǎng)系統(tǒng)可以通過加入額外的微生物和細胞元素來部分復(fù)制內(nèi)部腫瘤微環(huán)境[39]。例如，在最近對誘導(dǎo)多功能干細胞衍生的組織工程的研究中，科學(xué)家們成功地在類器官培養(yǎng)中開發(fā)了一種功能性腸神經(jīng)系統(tǒng)，證明了創(chuàng)建更復(fù)雜的類器官的共培養(yǎng)結(jié)構(gòu)的潛力[40]。其次，為了在體外真實地模擬人體器官的復(fù)雜性，研究人員認(rèn)為類器官培養(yǎng)系統(tǒng)應(yīng)包括生物材料(如水凝膠)以模擬細胞外基質(zhì)中的生物力學(xué)和生化特性[6]。例如，研究了膠原-納米纖維素(COL-NC)水凝膠作為具有協(xié)同生物活性作用的熱響應(yīng)基質(zhì)，以支持類器官的起始和生長。與傳統(tǒng)基質(zhì)如人工基底膜基質(zhì)相比，水凝膠是可以為卵巢癌類器官提供經(jīng)濟的、可持續(xù)的和高性能的熱響應(yīng)基質(zhì)。再次，目前不同研究人員之間對類器官的組成和培養(yǎng)過程差異很大，這種差異引起對結(jié)果一致性的懷疑。在卵巢癌類器官構(gòu)建中，Hoffmann等[37]在Wnt低表達的條件下開發(fā)了用于長期體外的卵巢癌類器官生長方式。而另一個研究小組報告了另一種共識，涉及神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1(NRG1)的附加成分，這種神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白對卵巢癌類器官形成效率和通過能力具有有益影響。對于基于卵巢癌類器官結(jié)論的可擴展性和準(zhǔn)確性，未來的嘗試也應(yīng)放在專家共識的標(biāo)準(zhǔn)實驗分析上。最后，考慮到特定的培養(yǎng)基包括細胞外基質(zhì)(例如人工基底膜基質(zhì))和補充因子(例如生長因子和激素)，與單層細胞培養(yǎng)物相比類器官的成本更高，這可能會限制它們的應(yīng)用[41]。

5 3D生物打印技術(shù)在類器官模型中的應(yīng)用

我們可以通過3D生物打印技術(shù)中的組織成像、組織構(gòu)建設(shè)計以及噴墨、微擠壓或激光生物打印等技術(shù)開發(fā)復(fù)雜的類器官模型[42]。通過將原代細胞輸送到大分子和生物材料中的方法，科學(xué)家們可以開發(fā)出適合移植的3D生物打印類器官模型[43]。研究人員使用微孔水凝膠支架的3D生物打印將功能性生物假體卵巢構(gòu)建到無菌小鼠體內(nèi)，其中卵泡種子支架變得高度血管化，當(dāng)植入手術(shù)絕育的小鼠體內(nèi)時，生物假體卵巢中的生殖功能得以保留。這些發(fā)現(xiàn)表明3D生物打印支架孔結(jié)構(gòu)是類器官功能組織工程制造支架設(shè)計中的關(guān)鍵變量。90°支架的類器官起到了開放孔隙率，并限制了毛囊-支架相互作用[44]。此外，另一個研究小組在卵巢癌細胞和正常成纖維細胞的3D共培養(yǎng)模型上開發(fā)了一種高通量細胞打印系統(tǒng)，該模型通過3D生物打印技術(shù)在人工基底膜基質(zhì)上微圖案化。在微環(huán)境(細胞間距離和細胞密度)內(nèi)以高通量方式，卵巢癌細胞在打印過程中保持活力并增殖，這可以實現(xiàn)已建立的類器官模型的小型化，并為高通量提供通過3D生物打印進行卵巢癌藥物篩選的工具[45]。

6 小結(jié)和展望

在精準(zhǔn)醫(yī)療逐漸深入人心的今天，隨著個體化治療方案的推行，類器官模型逐漸進入科研工作者們的視野之中，相較于細胞系模型和體外異體細胞移植模型，類器官模型具有高度保持的腫瘤異質(zhì)性、模擬腫瘤缺氧微環(huán)境、模擬腫瘤的發(fā)生轉(zhuǎn)移、藥物篩選和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、基因編輯系統(tǒng)和模擬疾病等多方面優(yōu)勢。目前，類器官模型還處于發(fā)展和改進的階段，類器官模型還存在很多局限性，將3D生物打印技術(shù)和類器官模型相聯(lián)合可以進一步提高類器官的效用，有望成為今后卵巢癌藥物篩選的一項重要工具。在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的要求下，為每一位患者進行個體化治療，已經(jīng)成為臨床診療過程中的必備環(huán)節(jié)。在不久的將來，類器官模型體可以成為幫助臨床診療、幫助提供精準(zhǔn)治療“最佳方案”的一項必不可少的科學(xué)途徑。