类器官技术在头颈部肿瘤中的应用进展

2021-03-26汪庚明

赣南医学院学报 2021年6期

汪庚明，张雷，孙谦，周燕

（1. 蚌埠医学院第一附属医院肿瘤放疗科；2. 蚌埠医学院第一附属医院胸外科，安徽蚌埠 233004）

头颈部鳞状细胞癌（Head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）是全球第六大常见恶性肿瘤，每年新发病例超过55 万［1］。HNSCC 对患者饮食、呼吸及语言功能会造成直接影响。头颈部解剖复杂且特殊，血供及淋巴引流丰富，易发生转移，预后欠佳。而在我国，头颈部肿瘤的发病率接近135.1/10 万［2］。类器官是应用体外3D 培养技术建立的小型组织，与对应的器官拥有类似的空间组织及功能，从而提供一个高度生理相关系统［3-4］。由此可见，类器官技术在肿瘤的机制研究、干细胞研究、精准治疗等方面应用前景广阔。近年来，有关各类恶性肿瘤类器官的报道很多，但在头颈部恶性肿瘤中类器官的研究较少，本文就类器官的研究进展及其在头颈部肿瘤中的应用进行综述。

1 类器官技术的研究进展

类器官是一种微型的组织器官类似物，它在结构和功能上都与体内相应器官有很大程度的相似。目前，多种类型类器官如脑、肺、胃肠道和肝肾等在体外已成功培养形成，其巨大的潜力得到了越来越多的开发。

1.1 肿瘤研究模型目前，肿瘤研究中最常用的模型有人源肿瘤细胞系异种移植（Cell derived xenograft，CDX）和人源性肿瘤组织异种移植（Patient-derived xenografts，PDX）。CDX 具有模型细胞系容易获得、建模成本低等优势，但是研究者逐渐发现人源肿瘤细胞系经长期体外培养后，其肿瘤细胞生物学行为及基因谱表达水平、肿瘤异质性等都与原始肿瘤组织存在较大差异，从而在预测临床药效等方面不甚理想［5］。PDX 具有较高的瘤内异质性且保留了肿瘤间质和干细胞成分，是较为接近人体实际情况的模型，从而提高了临床结果的可预测性［6］。但PDX 建模难度高、构建时间长且成功率不稳定，随着传代次数的增加，肿瘤微环境也会逐渐被小鼠细胞外基质所取代，因此传代次数有一定限制。类器官是应用体外3D 培养技术建立的小型组织［3］，其结构和功能上类似于源器官。类器官具有以下特性：（1）含一个自我更新干细胞群［7］，组织内部实现自我更新；（2）细胞自组装特性［8］；（3）生理活性［3］；（4）保持遗传稳定。由于以上特点，类器官能够很好的模拟肿瘤的生物学特性、发展过程等，从而应用于肿瘤的个体化治疗等方面。

SATO T 等［9］最早从癌症组织中建立类器官。他们以小鼠小肠培养系统为基础，对小鼠和人结肠培养系统进行了优化。将Wnt3A 与生长因子联合应用于小鼠结肠隐窝，使其无限期扩张，培养了小鼠Apc 缺陷性腺瘤、人类结直肠癌细胞和来自Barrett食管区域的人类化生上皮。BOJ SF 等［10］从正常和肿瘤性的小鼠和人胰腺组织建立了类器官模型。PAULI C 等［11］培养多种不同肿瘤的类器官模型，成功率达到39%。癌症患者来源的肿瘤类器官的建立被认为是一项重大突破。

1.2 类器官在肿瘤研究中的应用

1.2.1 在肿瘤干细胞中的研究干细胞是一类具有无限的或者永生的自我更新能力的细胞，干细胞是人体组织、器官再生的基石。HAN ME 等［12］报道WNT、Notch、EGF、Hedgehog 和BMP 5 条信号通路调控胃干细胞的增殖与分化。SEIDLITZ T 等［13］成功的在体外建立了小鼠胃癌类器官模型，发现进行基因突变后的类器官依赖干细胞因子的程度显著降低，克隆形成能力显著增强。DEWARD AD 等［14］发现老鼠食道的基底细胞含有异质的上皮细胞群，利用细胞表面标记的组合，将原发性食管组织分离成不同的细胞群，这些细胞群具有不同的干细胞潜能。并利用类器官证实Sox-2、WNT 等可调节食管的自我更新，他们认为非静止干细胞群存在于小鼠食道的基底上皮中。

1.2.2 在肿瘤发生发展机制中的研究肿瘤的发生、发展乃至转移是一个相互关联的过程。在肿瘤发生过程中，应用类器官技术可以模拟干细胞的生物学行为，评估信号转导通路以及调控基因对肿瘤发生、发展的影响，从而揭示该肿瘤发生发展的机制。类器官培养模型极大程度上保留了肿瘤细胞在体内的生物学特性和遗传学特征，弥补了传统肿瘤研究模型的缺陷［15］。通过类器官技术，FUJII M等［16］模拟了结肠癌发生、发展的过程。一些学者对结肠癌类器官进行某种基因修饰，模拟相似的基因图谱，从而形成了精确的侵袭性结肠癌模型，为研究结肠癌的发病机制和特异性基因功能提供平台。食管鳞状细胞癌常见的组织学前体病变中有鳞状细胞非典型增生，WHELAN KA 等［17］通过建立小鼠食管鳞状细胞癌类器官的模型，结合细胞谱系追踪技术，证实食管鳞状细胞癌的细胞来自基底角质形成细胞。CHEN Y 等［18］的研究发现过表达ERG基因的小鼠前列腺类器官组织学上为正常管腔结构，敲除Pten 基因的为高级别上皮内瘤变，而敲除表达ERG 和Pten 基因则为浸润性前列腺癌。NANKI K等［19］观察到敲除CDH1 基因后，类器官组织学形态会发生改变，类似于低分化弥漫型胃癌。HILL SJ等［20］检测了来自22 例高级别浆液性卵巢癌患者的33 种器官样培养物在同源重组和复制叉保护方面的缺陷。发现无论DNA 修复基因突变情况如何，类器官中HR的功能缺陷与PARP抑制剂敏感性相关。

1.2.3 在肿瘤精准治疗方面的研究精准医疗是以个体化医疗为基础，随着基因组测序技术快速发展以及生物信息与大数据科学的交叉应用而发展起来的新兴医学概念与诊疗模式。类器官能更真实的反应人体实际情况，对实现精准医疗有重要作用。VLACHOGIANNIS G 等［21］利用转移晚期的结直肠癌患者的活组织样本培养的类器官，其表型与原发肿瘤有高度的相似性，肿瘤组织器官的分子分析与药物筛选结果也相匹配。他们比较了在类器官中抗癌药物的体外反应和临床试验中患者的反应，发现类器官可以再现临床上患者的反应，可能实现肿瘤患者个性化的诊疗。GAO D 等［22］建立了7种亚型前列腺癌的3D类器官系统，观察其对抗恩杂鲁胺和醋酸阿比特龙的敏感度，结果显示治疗效果与体内试验完全一致。另有研究也证实类器官可以用于药物筛选［23-24］。与患者实际疗效进行对比发现，在预测抗肿瘤药物的有效性和指导临床用药方面，类器官具有100%的敏感性、93%的特异性、88%的阳性预测值以及100%的阴性预测值，因而类器官技术可被用来开发具预测性的生物标志物［21］。

2 类器官在头颈部肿瘤中的应用

头颈部解剖较为复杂，血供及淋巴引流十分丰富，故而头颈部肿瘤易发生转移，预后欠佳，早诊断早治疗探索空间较大。然而，缺乏理想的肿瘤研究模型是制约研究HNSCC的发生发展机制、药物开发与筛选以及个体化治疗的重要因素之一，类器官则较好地解决了这一问题。SHAH AT 等［25］将细胞代谢的光学成像技术应用于头颈部肿瘤的类器官培养。这项技术的优势在于，它利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸［Nicotinamide adenine dimcleotide phosphate，NAD（P）H］和黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavine adenine dinucleotide，FAD）在单个细胞水平上的固有荧光来测量细胞代谢，从而建立了三维体外模型。结果表明，光代谢成像对治疗后1 天的治疗反应十分敏感，并能解决具有明显代谢表型的细胞亚群，该平台可以提供一个敏感的高通量分析，以简化HNSCC 药物筛选过程。使用与肿瘤靶向分子偶联的光敏剂的靶向光动力疗法（Photodynamic therapy，PDT）已被认为是更具选择性的癌症治疗方法。DRIEHUIS E 等［26］发现表皮生长因子受体（Epidermal growth factor receptor，EGFR）的表达水平在源自不同供体的HNSCC类器官之间有所不同，且EGFR 表达水平与针对EGFR 靶向的PDT 的反应相关，从周围正常组织生长的类器官比其肿瘤对应物显示出较低的EGFR 表达水平，并且不受治疗的影响。故而认为，患者衍生的HNSCC类器官是用于测试体外靶向PDT 的3D 模型。TANAKA N 等［27］用43例HNSCC患者标本建立了类器官，这些类器官显示出与原发肿瘤相似的组织学特征和干细胞、上皮细胞及间充质标志物的表达。用药物敏感性和克隆生存试验测定顺铂和多西紫杉醇IC50 对HNSCC 类器官和相应的2D细胞系的影响，发现体内药物治疗的反应与体外药物敏感试验显示IC50 相似。因此认为，这些类器官可以预测体内药物敏感性，可能是开发HNSCC 精准治疗的有用工具。DRIEHUIS E等［28］建立了31 个HNSCC 的类器官，观察了其对顺铂、卡铂、西妥昔单抗的一组药物的不同反应，显示了较好的一致性。不仅如此，其中7 例患者接受了放射治疗，其中3 例放射治疗后复发，而3 个相应的类器官系在体外放射治疗中也是最具抵抗力的。放射治疗敏感性最高的类器官对应的患者对放射治疗也有持久的反应。从而证实，类器官不仅可以用来预测药物的有效性，也可以预测对放射治疗的敏感性。