《Cell》：乳腺癌类器官生物样本库重现了疾病的异质性

乳腺癌（BC）是全世界妇女中最常被诊断的癌症和癌症死亡的原因。乳腺癌包括20多种不同的亚型，在遗传学、形态学和临床上都有差异。下一代测序通过绘制BC分子画像和对BC基因中多个驱动突变的发现验证了BC的异质性。目前的标准系统疗法（激素、细胞毒性和HER2靶向）并不能实现个体化治疗。来自Hubrecht Institute 的Hans Clevers团队的Norman Sachs等建立了人类乳腺上皮细胞类器官培养方法，基于此成功构建100多个原发性和转移性BC类器官，再现了该疾病的多样性。BC类器官的形态通常与原始肿瘤的组织病理学、激素受体状态和HER2状态相匹配。肿瘤和配对的类器官中的DNA拷贝数以及序列变化是一致的，在多次传代后也是如此。这项研究报道了一个可用于癌症研究和药物开发的、分类明确的BC类器官样本库，以及一个以个性化方式评估体外药物反应的策略。

分离出的细胞采用BME水凝胶包裹，并采用优化的BC类器官培养基培养（图1A）。类器官的成功构建未显示受到原始BC的组织学亚型、分级或受体状态影响（图1B）。作者观察到不同大小的固体类器官、囊性类器官、"葡萄状 "类器官和几乎完全不粘连的类器官（图1C）。为了生成一个注释完备的生物样本库，作者通过组织学、WGS、RNA-seq和药物测试（图1D）来深入分析BC类器官。

图1. 建立BC类器官生物样本库

研究中使用的BC样本和其对应的类器官显示出类似的亚型分布（图1B）。BC类器官的表型与原始BC一致（图2）。例如，导管癌一般产生固体的、连贯的类器官，而小叶癌主要产生盘状的类器官（图2）。80%的HER2阳性和大于90%的HER2阴性BC类器官和原始BC的HER2状态一致（图2）。

图2. BC类器官的组织学和受体状态

作者在BC类器官中发现了BC特征性的染色体数目变化，包括频繁的高倍体和偶尔的低倍体（图3A）。BC类器官保留了原始BC整个基因组的DNA拷贝数的增加和减少（图3B），却比原始BC具有出更明显、低噪音的拷贝数信号。BC类器官再现了癌症基因的原始CNA模式，并且通常显示出更高的信号幅度（图3C），与全基因组的CNAs（图3B）相似。

图3. BC类器官的拷贝数改变

作者用数学方法分析了BCs和类器官中的碱基替换，并绘制了每个患者的每个突变特征的突变总数（图4A）。与患者之间的异质性相反，突变量和突变类型在匹配的BC-类器官对中大部分是相同的（图4A-4C）。

图4. 突变特征和驱动基因分析

如图5A所示，正常的类器官与五个BC类器官的子集被聚类在一起。当把类器官表达数据与来自TCGA的1100多个BC表达数据结合起来时，作者发现BC类器官可形成所有主要的亚群，并在整个数据集中随机分布（图5B）。

图5. RNA-Seq分析BC类器官的基因表达

作者对BC类器官使用了针对HER信号通路的药物（图6A），并进行了细胞活力测定。通过检测每种药物21个浓度获得剂量反应曲线，并确定了各药物的IC50（图6B和6C）。作者发现了几个相对的IC50值，表明存在不同的易感类器官亚群（图6B）。具有高BRCA1/2特征的BC类器官对PARPi敏感，而具有低BRCA1/2特征的BC类器官却不敏感（图6C）。

图6. BC类器官允许体外药物筛选

为了比较体外和体内的药物反应，作者首先选择了两个对体外阻断HER信号的药物有不同反应的BC类器官系（图7A），并将每一系的细胞移植到10只小鼠的双侧。一旦肿瘤生长超过50立方毫米，相应的小鼠将接受10毫克/克体重的阿法替尼或安慰剂治疗28天（图7B）。有阿法替尼抗性的BC类器官系27T，在接受阿法替尼和安慰剂治疗时，肿瘤生长速度几乎相同（图7B）。对阿法替尼敏感的类器官系10T，在接受阿法替尼治疗时的生长速度明显慢于安慰剂组（图7B）。携带27T肿瘤的小鼠需要在同一时间处死，而携带10T肿瘤的小鼠在接受阿法替尼治疗时，与安慰剂相比寿命明显延长（图7B），再现了各自的体外药物反应。BC类器官对他莫西芬的体外反应与各自患者的反应一致（图7C），表明BC类器官有潜力代替体内模型作为药物预测工具。

图7. BC类器官再现体内的药物反应

由于BC类器官再现了BC的主要特征，它们可作为体外2D细胞系和体内PDX模型之外的第三个临床前BC模型。BC类器官的表型多样性反映了BC组织学。BC类器官可以进行基因编辑，进而可以进行表型筛选和假设测试。BC类器官还可以从纯肿瘤上皮细胞中提取遗传数据。由于没有''污染''遗传上正常的细胞类型，可以得到更干净的RNA图谱，也更容易检测体细胞突变。在基因表达分析中，BC类器官可以更清楚地显现基于表达的亚型，并找出如上皮细胞黏附的生物问题的原因。然而，体外缺乏的肿瘤微环境可能导致肿瘤-类器官对的表达谱差异。未来的研究可尝试：1）检测所切除的BC肿瘤RNA，进行相应的相关性分析，并剖析肿瘤环境和癌细胞基因表达之间的相互的影响。2）从BC活检中生成类器官，并在临床试验中与相应的患者平行治疗。理想情况下， BC类器官可以帮助识别可能的治疗策略和个别患者的耐药性。3）将组织学、遗传学和/或基因表达数据与BC类器官药物反应相联系，将进一步推动对BC的分子和功能理解。

原文出处：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.11.010

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