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2022-10
引文
膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)是成年人原發(fā)性惡性腦腫瘤中的最常見(jiàn)形式,由于GBM具有很強(qiáng)的侵襲性和較高的惡性程度,通常預(yù)后很差。缺乏再現(xiàn)人腦復(fù)雜性的體外模型是神經(jīng)腫瘤學(xué)和神經(jīng)病學(xué)領(lǐng)域的主要研究障礙。因此,開(kāi)發(fā)創(chuàng)新模型來(lái)有效地再現(xiàn)GBM的復(fù)雜表型對(duì)于GBM轉(zhuǎn)化研究至關(guān)重要。
近年來(lái)新型的3D類器官和細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)為GBM疾病建模提供了新的可能,并被應(yīng)用到了疾病工程、藥物篩選、建立活體Biobank和探索個(gè)性化治療等多個(gè)方向。這些模型通過(guò)使用CRISPR/Cas9技術(shù)進(jìn)行基因修飾,可研究與膠質(zhì)瘤發(fā)生相關(guān)的關(guān)鍵基因的特定作用,而與GBM細(xì)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(duì)比
在疾病模型中,2D細(xì)胞培養(yǎng)模型最簡(jiǎn)便且應(yīng)用最為廣泛。長(zhǎng)期以來(lái),U87、U251和T98G細(xì)胞系也是研究GBM生物學(xué)的最為常用的工具,但在研究較為復(fù)雜的疾病時(shí),2D模型存在一定的局限性,血清培養(yǎng)基可能會(huì)導(dǎo)致基因組和轉(zhuǎn)錄組水平改變,將細(xì)胞系植入免疫功能缺陷小鼠體內(nèi)產(chǎn)生的腫瘤無(wú)法重現(xiàn)許多經(jīng)典的GBM表型,如:彌漫浸潤(rùn)、微血管增生和壞死等。
2D培養(yǎng)與3D培養(yǎng)
長(zhǎng)期以來(lái),一直認(rèn)為GBM起源于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的成熟的膠質(zhì)細(xì)胞。然而,新的研究結(jié)果表明,GBM來(lái)源于位于大腦腦室下區(qū)的神經(jīng)干/祖細(xì)胞,GBM中存在一種具有干細(xì)胞特性的細(xì)胞亞群,稱為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞(GSCs),它對(duì)治療的耐藥性和抗性密切相關(guān)。GBM的典型特征之一是廣泛浸潤(rùn)周圍的腦實(shí)質(zhì),GBM細(xì)胞侵入健康腦組織是腫瘤細(xì)胞與由小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元、膠質(zhì)和神經(jīng)祖細(xì)胞、周細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)組成的微環(huán)境成分之間復(fù)雜相互作用的結(jié)果。因此這也使得GBM的體外建模更具挑戰(zhàn)性。
近年來(lái),3D類器官由于可以在結(jié)構(gòu)和功能上與親代組織保持高度的一致性,能夠長(zhǎng)期培養(yǎng)、穩(wěn)定遺傳等優(yōu)勢(shì)成為具有潛力的疾病模型。并成功建立了病人來(lái)源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤類器官,且所建立的類器官可以保留膠質(zhì)母細(xì)胞瘤形態(tài)學(xué)特征——包括對(duì)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(biāo)記腫瘤微管(TM)等[患者來(lái)源腫瘤類器官指導(dǎo)復(fù)發(fā)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的個(gè)性化治療]。這些都是評(píng)估藥物反應(yīng)模型中尤其重要的方面。3D培養(yǎng)技術(shù)成功對(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤進(jìn)行疾病建模,同時(shí)體現(xiàn)出其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)與潛力。
大腦類器官
1) Lancaster和Knoblich從人多能干細(xì)胞中生成大腦類器官(COs),成功構(gòu)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(zhuǎn)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(xué)的侵襲性、藥物反應(yīng)等。
3) Ogawa等人利用CRISPR/Cas9技術(shù),通過(guò)同源重組TP53位點(diǎn)構(gòu)建HRasG12V IRES tdTomato人類膠質(zhì)瘤COs的腫瘤模型。它誘導(dǎo)COs中細(xì)胞的腫瘤轉(zhuǎn)化,使細(xì)胞具有侵襲性,并破壞了周圍的類器官結(jié)構(gòu)。將轉(zhuǎn)化細(xì)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(zhì)特征的高度侵襲性腫瘤。這種侵襲性間充質(zhì)腫瘤的產(chǎn)生展現(xiàn)了間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和相關(guān)腫瘤侵襲的分子介質(zhì)的特性。
4) Linkous等人構(gòu)建的大腦器官樣膠質(zhì)瘤(GLICO)模型,通過(guò)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(gè)有前景的高通量藥物篩選平臺(tái)。
熱評(píng):
通過(guò)人類多能干細(xì)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(guò)與不同的技術(shù)結(jié)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(tái)。
患者來(lái)源膠質(zhì)母細(xì)胞瘤類器官
許多臨床試驗(yàn)結(jié)果不良都與腫瘤間和腫瘤內(nèi)分子異質(zhì)性有關(guān)。建立能夠保留腫瘤異質(zhì)性的GBO能為CBM患者的個(gè)體化治療提供至關(guān)重要的策略和經(jīng)驗(yàn)。
1) Fadi等人用GBM樣本生成GBM類器官(GBO)模型,GBO保留了其相應(yīng)原代腫瘤的諸多關(guān)鍵特征,也再現(xiàn)了其腫瘤間和腫瘤內(nèi)的異質(zhì)性。因此GBO可以應(yīng)用在預(yù)測(cè)臨床治療和靶向治療的反應(yīng)。
2) Yi等人由GBM樣本、內(nèi)皮細(xì)胞和脫細(xì)胞的腦ECM進(jìn)行生物打印,位于分隔的癌間質(zhì)同心環(huán)結(jié)構(gòu)中,維持徑向氧梯度。這種GBM芯片模型可有助于識(shí)別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)一線治療耐藥的GBM患者的有效治療。
熱評(píng):
腫瘤異質(zhì)性一直是困擾膠質(zhì)母細(xì)胞瘤臨床用藥和影響患者預(yù)后性的重要因素之一。GBO為GBM提供了一個(gè)優(yōu)秀的模型。而選擇患者來(lái)源組織直接構(gòu)建類器官進(jìn)行藥物敏感性測(cè)試,可以輔助確立最適合該患者的個(gè)體化用藥方案,對(duì)患者化療療效進(jìn)行評(píng)估,輔助繼發(fā)/實(shí)體腫瘤患者指定用藥方案。
胎腦聚集物模擬膠質(zhì)母細(xì)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(gè)形態(tài)學(xué)方面模仿發(fā)育中的大腦,在GBM細(xì)胞系和FBA之間建立的共培養(yǎng)模型中,F(xiàn)BA是驗(yàn)證GBM細(xì)胞侵襲的有效模型,腫瘤細(xì)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(gè)研究發(fā)現(xiàn),酪氨酸激酶抑制劑的使用可以減少GBM細(xì)胞對(duì)FBA的侵襲。
熱評(píng):
FBA模型易于生成,具有成本效益,它可以作為一個(gè)極好的平臺(tái)來(lái)研究GBM在體外的侵襲,用來(lái)揭示GBM侵入正常大腦的機(jī)制。
應(yīng)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(yīng)用在類器官模型中來(lái)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(duì)的方法為目標(biāo)基因設(shè)計(jì)特定的向?qū)NA(sgRNA)。通過(guò)對(duì)DNA的編輯與剪接,按照計(jì)劃改變目標(biāo)基因,但它通常會(huì)導(dǎo)致功能突變的缺失。它被應(yīng)用于2D或3D系統(tǒng),用以誘導(dǎo)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(fù)使用,以引入DNA斷裂。通常,在類器官中編輯CRISPR會(huì)產(chǎn)生大量野生型和突變細(xì)胞,這使結(jié)果的解釋變得復(fù)雜。CRISPR/Cas9技術(shù)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(biāo)的影響。
熱評(píng):
基因編輯方法的很大地改進(jìn)了包括類器官在內(nèi)的疾病模型,通過(guò)利用CRISPR技術(shù),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(jié)構(gòu)在與CRISPR技術(shù)結(jié)合后又可以彌補(bǔ)2D不能解決的問(wèn)題,為還原更加復(fù)雜的疾病開(kāi)辟道路。
精科亮點(diǎn)
精科醫(yī)學(xué)作為國(guó)內(nèi)類器官技術(shù)轉(zhuǎn)化先行者,我們?cè)陬惼鞴倥囵B(yǎng)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),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(shí)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)穿刺標(biāo)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(shù),能夠有效地延長(zhǎng)樣本保護(hù)期,擴(kuò)大地域覆蓋面。此外我們還和多家醫(yī)院和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)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(cè)方法、類器官共培養(yǎng)等多個(gè)重要技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破,并已建立相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)。