医学研究新平台：肿瘤类器官生物样本库

基础医学和转化医学的许多重大发现都得益于大型生物样本库的探索性研究。PDO（patient-derived organoid，患者来源类器官）是临床前研究的高质量模型。其中PDTO（patient-derived tumor organoid ，患者来源的肿瘤类器官）是通过机械和酶法从新鲜的肿瘤组织中提取肿瘤细胞并在特定的基质中培养而形成的，它可以反映亲本肿瘤组织的异质性。目前，许多学术和商业团体都建立了自己的PDTO生物样本库，但如何规范生物样本库的质量控制仍需要一个统一的标准。

 

山东省立医院肿瘤研究治疗中心的宋伟主任团队总结PDO生物样本库的常见肿瘤类型以及生物样本库建设的必要信息，还对PDTO生物样本库建设的注意事项和未来发展方向进行了深入探讨。该研究以“Tumor organoid biobank - new platform for medical research”为题发表在《Scientifc Reports》上。

 

生物样本库的建立需要一套完整的管理流程（图1）。管理体系的内容包括政策法规、实验技术和样品管理，因此，建立PDTO生物样本库是一个费时费力的项目。一旦建立了PDTO生物样本库，就可以为临床研究提供可靠、准确的临床前模型，有利于开展大规模的探索性研究。

图1. 类器官生物样本库的管理过程和质量控制体系。

 

肿瘤类器官培养和复苏的成功率对于生物样本库的建立非常重要。因此，PDTO培养过程的质量控制（图2）一直是重中之重。

图2. 肿瘤类器官的培养过程。从左到右，肿瘤细胞的提取，以及类器官的传代、低温保存和复苏。

 

在保存和复苏阶段，有机体在-80°C的低温保存液中保存过夜，然后转移到液氮中长期保存。类器官复苏的成功率也非常重要，应遵循缓慢冷冻和快速解冻的原则，就像细胞系一样。

 

一般来说，类器官培养有很多细节要求，如机械力、消化时间、播种密度等。任何程序上的错误都可能导致实验失败。

 

大多数新的抗癌药物不能成功地应用于临床。其关键因素是在早期研究和开发（R&D）过程中缺乏有效的临床前模型。以往的研究表明，PDTOs可以反映亲代肿瘤组织的表型特征，这表明类器官在药物筛选方面具有很大的潜力，PDTO生物样本库适合于新药开发和高通量药物筛选。大多数类器官的培养和干预实验可以在4周内完成，表明PDTO可以在短时间内对临床用药做出有意义的指导。对于那些对化疗不敏感的患者，PDTOs不仅可以帮助寻找新的治疗目标，还可以进行基础研究。建立PDTO生物样本库有利于探索肿瘤的发生和发展机制。它有助于发现新的抗癌药物，减少临床试验失败的风险，并节省研发时间和成本（图3）。

图3. 肿瘤类器官生物样本库的建立和应用

 

目前，全球各地已经建立了43个肿瘤类器官生物样本库，越来越多的PDTO生物样本库被建立（图4）。在所有建立PDTO生物样本库的国家中，荷兰、美国和中国的PDTO生物样本库培养数量居前三位（图5）。消化系统和生殖系统建立的生物样本库最多（图6）。结直肠癌、胰腺癌、乳腺癌、胶质瘤和膀胱癌是建立最多的肿瘤类型（图7）。已建立的类器官生物样本库的共同内容如图8所示。

图4. 建立生物样本库的时间趋势。


图5. PDTO生物样本库的国家分布。


图6. PDTO生物样本库中的器官系统分布。


图7. 按肿瘤种类划分的类器官生物样本库的状况。


图8. PDTO生物样本库的常见内容。

 

首先，大多数PDTOs只包含上皮层，缺乏生理微环境（如肌肉层、基质细胞、免疫细胞、血管内皮细胞和神经系统）。因此，在免疫治疗药物和抗血管生成药物的研究中存在着局限性。但这一点可以通过共培养和器官芯片等技术来克服。此外，三维生物打印技术可用于开发复杂的类器官模型。第二，组织细胞应在特定的基质内培养，细胞外基质和补充因子很昂贵，这可能限制了广泛的应用。水凝胶为PDTOs提供了一个经济和可持续的替代基质，将有助于降低类器官培养的成本。另外，PDTO所涉及的伦理问题也是建立PDTO生物样本库的一个不可避免的挑战。

 

PDTOs可以更好地总结亲本肿瘤的关键特征和功能，开创了精准医疗的新时代。目前，各种肿瘤的类器官生物样本库已经建立，为基础研究和临床研究提供了可靠的模型。今后，解决类器官技术标准的统一和良好的质量监督体系是建立安全、准确、便捷的PDTO生物样本库的关键，应引起研究者的广泛关注。