近日，清華-伯克利深圳學院(TBSI)精準醫(yī)學與公共健康研究中心馬少華副教授、黃來強教授團隊在類器官研究中取得重要成果，成功建立了類器官均一化、自動化、高通量培養(yǎng)平臺，制備的人源和鼠源的正常組織和腫瘤類器官，形態(tài)結(jié)構(gòu)均一，忠實地保留了源組織/腫瘤從基因分子細胞到組織生理病理的特性、對藥物和治療的反應功能。其中腫瘤類器官高度保持了源腫瘤的異質(zhì)性和患者之間的異質(zhì)性，為腫瘤的發(fā)病機理研究、藥物和療法的篩選和評價、個體化精準治療，以及再生醫(yī)學的研究和開發(fā)提供了優(yōu)良的技術(shù)平臺和疾病模型。

腫瘤類器官制備及應用路線圖

類器官在生物醫(yī)學醫(yī)藥研究、個性化治療以及再生醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。其中基于癌癥病人腫瘤組織在體外三維培養(yǎng)的腫瘤類器官（Tumor Organoid），作為腫瘤疾病模型，在癌癥藥物、療法、個性化精準治療的研究和開發(fā)中具有巨大的應用潛力。但是，目前類器官研究還存在諸多問題：類器官形態(tài)及組成的可控性差；同批次類器官個體之間，以及不同批次類器官樣本之間均存在顯著差異；建模周期長（培養(yǎng)周期需要4-6周），而且建模過程缺乏自動化操控，耗時費力。

腫瘤內(nèi)在的異質(zhì)性給實體腫瘤的治療和構(gòu)建疾病模型均帶來艱巨的挑戰(zhàn)：在同一種腫瘤中可以存在不同的基因型或者亞型的細胞，因此同一種組織來源的腫瘤在不同個體身上可表現(xiàn)出不一樣的藥物反應、治療效果及預后，而且同一個腫瘤也存在差異很大的細胞亞群。如何準確、高效地在疾病模型中預測腫瘤對于抗癌藥物和療法的反應是當今研究的重點之一。傳統(tǒng)的藥物篩選和評價模型，包括2D細胞、3D細胞、PDX小鼠模型等，存在預測準確率不高，缺乏病理生理相關(guān)度高的細胞結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，或建模成功率低、周期長、可控性低、難以規(guī)模化等缺陷。腫瘤類器官有希望克服這些缺陷而成為更優(yōu)越的腫瘤模型；然而，要實現(xiàn)這一目標，目前的腫瘤類器官尚需大幅改進，不僅要解決前述類器官的共性問題，而且要解決腫瘤異質(zhì)性帶來的特有問題，盡可能地模擬體內(nèi)微環(huán)境，保持源腫瘤的異質(zhì)性，以及患者個性化的特性。

針對這些問題，本研究團隊以微流控聯(lián)動3D打印技術(shù)快速制造、培養(yǎng)和自動化操控建立正常組織和腫瘤類器官，全過程均一可控，可高通量規(guī)?；Ｍㄟ^微流控液滴技術(shù)將含有細胞的Matrigel剪切成直徑約500微米的均一化微球并將其作為細胞活動的結(jié)構(gòu)模板，經(jīng)過1周培養(yǎng)熟化（細胞自組織）即可形成類器官。利用這個平臺成功培養(yǎng)了小鼠肝、肺、腎等正常組織的類器官，癌癥病人肺、腎、胃、直腸等多種腫瘤的類器官。

類器官制備技術(shù)平臺示意圖

本研究實驗分析表明，所制備的正常和腫瘤類器官，類器官個體之間形態(tài)和尺度均一；組織病理學特性與其源組織/腫瘤一致；細胞學生物標志物蛋白質(zhì)的表達與其源組織/腫瘤一致。RNA測序表明類器官與其源組織/腫瘤的基因表達譜高度一致；全基因外顯子測序顯示腫瘤類器官與其源腫瘤保持了97%的單核苷酸變異的重疊，以及>93%相同的原癌基因突變；這些類器官能很好地反映其源組織/腫瘤的遺傳背景、基因型和表達譜。

正常和腫瘤類器官的組織病理學特性與基因表達及變異圖譜與源組織高度一致

本研究進一步對制備的類器官進行了對抗癌藥物反應的功能測試分析，并與源腫瘤/組織個體的臨床效果數(shù)據(jù)對比。研究團隊培養(yǎng)了源自21位癌癥病人手術(shù)切除的腫瘤的類器官，用于對31個抗腫瘤藥物的敏感性篩選測試，測試結(jié)果對比病人臨床實際用藥及病人疾病狀態(tài)，結(jié)果顯示腫瘤類器官具有81%的預測準確率，這表明腫瘤類器官高度重現(xiàn)了源腫瘤病人對于抗癌藥物的反應以及病人個體之間的反應差異。并且，腫瘤類器官對有效抗癌藥物的劑量敏感，也反映了患者之間的異質(zhì)性。同時，本研究還通過實驗展示，源于小鼠正常肝、腎組織的類器官可準確預測抗腫瘤藥物的毒副作用。

腫瘤類器官重現(xiàn)患者對抗癌藥物的反應及個體之間的差異反應

本研究成果在專注于轉(zhuǎn)化醫(yī)學和臨床醫(yī)學的《細胞》（Cell）子刊《細胞報告醫(yī)學》（Cell Reports Medicine）以研究長文的形式發(fā)表，題為“自動化制備均一的并維持患者腫瘤異質(zhì)性的類器官技術(shù)平臺”（An Automated Organoid Platform with Inter-organoid Homogeneity and Inter-patient Heterogeneity）。

本論文通訊作者為TBSI黃來強教授和馬少華副教授；第一作者為TBSI黃來強課題組博士生蔣盛威、馬少華課題組博士生趙浩然，以及鄭州大學第一附屬醫(yī)院副主任醫(yī)師張偉杰。鄭州大學第一附屬醫(yī)院、北京大學深圳醫(yī)院，深圳大學總醫(yī)院等為本研究提供了臨床樣本和數(shù)據(jù)等支持。本研究得到國家自然科學基金委、深圳市科創(chuàng)委、深圳市發(fā)改委、腫瘤化學基因組學國家重點實驗室的資助支持。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(20)30208-1

來源：清華新聞網(wǎng)

近日，清華-伯克利深圳學院(TBSI)精準醫(yī)學與公共健康研究中心馬少華副教授、黃來強教授團隊在類器官研究中取得重要成果，成功建立了類器官均一化、自動化、高通量培養(yǎng)平臺，制備的人源和鼠源的正常組織和腫瘤類器官，形態(tài)結(jié)構(gòu)均一，忠實地保留了源組織/腫瘤從基因分子細胞到組織生理病理的特性、對藥物和治療的反應功能。其中腫瘤類器官高度保持了源腫瘤的異質(zhì)性和患者之間的異質(zhì)性，為腫瘤的發(fā)病機理研究、藥物和療法的篩選和評價、個體化精準治療，以及再生醫(yī)學的研究和開發(fā)提供了優(yōu)良的技術(shù)平臺和疾病模型。

腫瘤類器官制備及應用路線圖

類器官在生物醫(yī)學醫(yī)藥研究、個性化治療以及再生醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。其中基于癌癥病人腫瘤組織在體外三維培養(yǎng)的腫瘤類器官（Tumor Organoid），作為腫瘤疾病模型，在癌癥藥物、療法、個性化精準治療的研究和開發(fā)中具有巨大的應用潛力。但是，目前類器官研究還存在諸多問題：類器官形態(tài)及組成的可控性差；同批次類器官個體之間，以及不同批次類器官樣本之間均存在顯著差異；建模周期長（培養(yǎng)周期需要4-6周），而且建模過程缺乏自動化操控，耗時費力。

腫瘤內(nèi)在的異質(zhì)性給實體腫瘤的治療和構(gòu)建疾病模型均帶來艱巨的挑戰(zhàn)：在同一種腫瘤中可以存在不同的基因型或者亞型的細胞，因此同一種組織來源的腫瘤在不同個體身上可表現(xiàn)出不一樣的藥物反應、治療效果及預后，而且同一個腫瘤也存在差異很大的細胞亞群。如何準確、高效地在疾病模型中預測腫瘤對于抗癌藥物和療法的反應是當今研究的重點之一。傳統(tǒng)的藥物篩選和評價模型，包括2D細胞、3D細胞、PDX小鼠模型等，存在預測準確率不高，缺乏病理生理相關(guān)度高的細胞結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，或建模成功率低、周期長、可控性低、難以規(guī)模化等缺陷。腫瘤類器官有希望克服這些缺陷而成為更優(yōu)越的腫瘤模型；然而，要實現(xiàn)這一目標，目前的腫瘤類器官尚需大幅改進，不僅要解決前述類器官的共性問題，而且要解決腫瘤異質(zhì)性帶來的特有問題，盡可能地模擬體內(nèi)微環(huán)境，保持源腫瘤的異質(zhì)性，以及患者個性化的特性。

針對這些問題，本研究團隊以微流控聯(lián)動3D打印技術(shù)快速制造、培養(yǎng)和自動化操控建立正常組織和腫瘤類器官，全過程均一可控，可高通量規(guī)?；Ｍㄟ^微流控液滴技術(shù)將含有細胞的Matrigel剪切成直徑約500微米的均一化微球并將其作為細胞活動的結(jié)構(gòu)模板，經(jīng)過1周培養(yǎng)熟化（細胞自組織）即可形成類器官。利用這個平臺成功培養(yǎng)了小鼠肝、肺、腎等正常組織的類器官，癌癥病人肺、腎、胃、直腸等多種腫瘤的類器官。

類器官制備技術(shù)平臺示意圖

本研究實驗分析表明，所制備的正常和腫瘤類器官，類器官個體之間形態(tài)和尺度均一；組織病理學特性與其源組織/腫瘤一致；細胞學生物標志物蛋白質(zhì)的表達與其源組織/腫瘤一致。RNA測序表明類器官與其源組織/腫瘤的基因表達譜高度一致；全基因外顯子測序顯示腫瘤類器官與其源腫瘤保持了97%的單核苷酸變異的重疊，以及>93%相同的原癌基因突變；這些類器官能很好地反映其源組織/腫瘤的遺傳背景、基因型和表達譜。

正常和腫瘤類器官的組織病理學特性與基因表達及變異圖譜與源組織高度一致

本研究進一步對制備的類器官進行了對抗癌藥物反應的功能測試分析，并與源腫瘤/組織個體的臨床效果數(shù)據(jù)對比。研究團隊培養(yǎng)了源自21位癌癥病人手術(shù)切除的腫瘤的類器官，用于對31個抗腫瘤藥物的敏感性篩選測試，測試結(jié)果對比病人臨床實際用藥及病人疾病狀態(tài)，結(jié)果顯示腫瘤類器官具有81%的預測準確率，這表明腫瘤類器官高度重現(xiàn)了源腫瘤病人對于抗癌藥物的反應以及病人個體之間的反應差異。并且，腫瘤類器官對有效抗癌藥物的劑量敏感，也反映了患者之間的異質(zhì)性。同時，本研究還通過實驗展示，源于小鼠正常肝、腎組織的類器官可準確預測抗腫瘤藥物的毒副作用。

腫瘤類器官重現(xiàn)患者對抗癌藥物的反應及個體之間的差異反應

本研究成果在專注于轉(zhuǎn)化醫(yī)學和臨床醫(yī)學的《細胞》（Cell）子刊《細胞報告醫(yī)學》（Cell Reports Medicine）以研究長文的形式發(fā)表，題為“自動化制備均一的并維持患者腫瘤異質(zhì)性的類器官技術(shù)平臺”（An Automated Organoid Platform with Inter-organoid Homogeneity and Inter-patient Heterogeneity）。

本論文通訊作者為TBSI黃來強教授和馬少華副教授；第一作者為TBSI黃來強課題組博士生蔣盛威、馬少華課題組博士生趙浩然，以及鄭州大學第一附屬醫(yī)院副主任醫(yī)師張偉杰。鄭州大學第一附屬醫(yī)院、北京大學深圳醫(yī)院，深圳大學總醫(yī)院等為本研究提供了臨床樣本和數(shù)據(jù)等支持。本研究得到國家自然科學基金委、深圳市科創(chuàng)委、深圳市發(fā)改委、腫瘤化學基因組學國家重點實驗室的資助支持。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(20)30208-1

來源：清華新聞網(wǎng)