腫瘤微環境的類器官模型，助力耐藥腫瘤的治療

長久以來，腫瘤被認為是孤立的腫塊，獨立存在於器官特定的部位。在過去的數十年中，通過使用靶向治療和聯合用藥方案，腫瘤治療領域取得了前所未有的進步。但這些治療方案中的絕大多數患者最終都無法完全治癒，甚至有些患者在用藥初期療效顯著，最終卻復發為耐藥腫瘤。這是由於腫瘤組織還包括多種類型的基質細胞（成纖維細胞、淋巴細胞、巨噬細胞和內皮細胞）、免疫細胞（T和B淋巴細胞等）和細胞外成分（細胞因數、生長因數、激素、細胞外基質ECM等），它們圍繞著腫瘤細胞，並由血管系統滋養，構成了腫瘤微環境（tumor microenvironment, TME) ^【1】。腫瘤微環境(TME)為腫瘤提供良好的生長環境及營養物質，促進腫瘤的進展和轉移，這些特徵導致了個體患者中許多常規治療的失敗。
腫瘤類器官是一種可以在體外模擬病人腫瘤微組織的模型，其樣本來源是原代腫瘤組織。類器官結構包含多種特異性細胞類型，空間結構與其對應腫瘤組織相似。目前已有多種類型腫瘤建立了類器官培養方案，如：胃癌、肝癌、胰腺癌、結腸癌、卵巢癌等類器官培養方案已日趨成熟。隨著生理學上建模方式的精確和完善，類器官培養技術可以與體外腫瘤微環境（TME）技術相結合，並維持其多樣化的細胞群體。

用於模擬腫瘤免疫微環境的類器官培養系統
模擬腫瘤免疫微環境的腫瘤類器官培養可以通過三種途徑實現：
I. 將腫瘤組織經過物理或酶解分離後，在細胞外基質（Matrigel或BME）中進行類器官培養；同時分離外源性免疫細胞（通常來源於自體外周血或腫瘤組織），隨後與生長的類器官進行共培養。這種將類器官完全浸沒的培養方式適用於富集上皮類型腫瘤細胞，但不能保留間質細胞，因此需要外源性添加免疫細胞來構建腫瘤微環境^【2 】
II. 將腫瘤消化後形成的球狀組織與膠原蛋白混合，並接種到微流體培養裝置中，即腫瘤細胞與樣本中的固有免疫微環境共同培養，形成天然TME模型。這種裝置的中心部分是用來培養腫瘤微球體的3D凝膠，培養基由兩側的孔隙進行流通，可以實時地、持續地調節腫瘤類器官所處的液體環境，並且也可以模擬在體內依靠血液自然流動的藥物遞送方式^【3】
III. 將含有免疫細胞的腫瘤組織物理切割成組織碎片，在包被膠原蛋白凝膠的transwell小室中進行培養。凝膠的頂部暴露在空氣中，同時外皿中的培養基通過可滲透的transwell擴散到內皿中，形成氣-液交互介面（air–liquid interface, ALI）。與普通的凝膠培養方式不同，ALI法不僅保留了原始腫瘤的基本特徵，還保留了TME複雜的細胞組成和結構^【4】。目前黑色素瘤、腎細胞癌（RCC）、非小細胞肺癌（NSCLC）都已經實現ALI法構建腫瘤類器官-TME。

圖1. 用於模擬腫瘤免疫微環境的類器官培養系統^【5】

腫瘤類器官-TME在研究中的應用
1. 用於評估免疫檢查點抑製劑的效果
通過對腫瘤患者的臨床研究表明，免疫檢查點受體信號抑制劑（immune checkpoint inhibitors，ICI）對於治療腫瘤有一定的協同作用。通過對其安全性和有效性的綜合考量，目前有七種單克隆抗體包括一種阻斷細胞毒性T淋巴細胞相關抗原4 （CTLA-4），六種阻斷程式性細胞死亡蛋白1 （PD-1）或其配體（PD-L1）已被FDA批准用於治療包括黑色素瘤、皮膚鱗狀細胞癌、頭頸癌在內的多種晚期癌症，許多其他抗體也在臨床測試中^【6】。
2. 擴大免疫療法的治療範圍
迄今為止，研究人員寄希望于多種免疫療法，但絕大部分效果被其內源性或獲得性耐藥機制抵消了；此外，一些腫瘤組織似乎對ICI不敏感。腫瘤類器官-TME作為一種潛在的免疫研究模型，可以用於優化現有免疫療法的療效，並且對新方法進行功能評估。
臨床免疫治療越來越多地探索聯合用藥方法，即利用多個免疫檢查點（如PD-1、CTLA-4、LAG-3、TIM-3、VISTA）的抑制劑與免疫抑制細胞群（如Treg、MDSC）的獨特生物學特性進行聯合治療，免疫檢查點和TME內局部作用的旁分泌途徑（如TGFβ）或趨化因數受體（如CCR4和CXCR4）共同阻斷的研究正在進行中。免疫治療組合的其他潛在靶點（包括JAK-STAT、MAPK、Wnt/β-catenin、NF-κB信號通路等）都可以使用腫瘤類器官-TME模型來進行效果驗證。
3. 精準醫學與免疫治療效果預測
與TME相結合的患者來源腫瘤類器官（patient-derived organoid, PDO）可以通過記錄不同治療方法（包括化療和免疫療法，以及小分子或蛋白質治療）的抗腫瘤效果，實現在體外預測病人治療後的反應。在保留腫瘤細胞和自體免疫成分的微流控培養PDO-T體系中，通過監測T細胞對腫瘤的細胞毒性，有助於預測或評估患者對ICI治療的反應^【7】；或者通過流式細胞術、免疫螢光染色的檢測方式，由ALI-PDO中多種內源性免疫元件來模擬體內腫瘤對ICI的反應^【8】。這些預測方法都需要具有前期大量相關的臨床結果支援，但通過我們對免疫療法效果的篩選，為臨床轉化治療提供了方向。
儘管已經建立了許多類型的腫瘤類器官-TME體系，但仍然需要為罕見的腫瘤建立模型以擴大其適用性。體外腫瘤類器官-TME的培養通常需要添加不同于生理條件的細胞因數，如：腎癌類器官培養體系中需要添加R-spondin 1、EGF、FGF-10；而乳腺癌類器官則需要額外添加Neuregulin 1、FGF-7、Noggin。這些添加在培養基中的生長因數水準異常，可能會導致類器官中不準確的生長曲線和異常的藥物反應^【9】。
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