《Nature Communication》：肺癌类器官

肺癌在个体间具有高度的遗传和表型的异质性，使得个性化医疗成为需求。来自韩国首尔峨山医院Center for Precision Medicine的Kim Minsuh以及团队创建了一个由5种亚型肺癌和5种正常支气管器官（NBOs）的80个肺癌类器官（LCO）系组成的生物样本库。肺癌类器官再现了原发性肺肿瘤的组织结构，并在体外的长期扩增过程中保持了原始肿瘤的基因组改变。正常支气管器官拥有正常支气管黏膜的细胞成分。肺癌类器官根据其基因组改变产生药物反应。LCOs和NBOs生物样本库保持了其各自亲本组织的组织学和遗传学特征，并可用于研究患者特定的药物试验，以及靶向治疗和抗性机制的概念验证。

LCOs经过6个月的长期扩增培养，球状的类器官形态没有变化，并保持了增殖能力（图1b）。有23个样本成功建立了2D培养模型，20个样本成功生成了LCOs，10个样本成功生成了源于患者的异种移植模型（PDXs）（图1d）。在不同的肺癌亚型中，类器官培养的成功率没有差异（图1d）。作者对生物样本库中冷冻保存的类器官进行了复苏试验。使用3D培养方法，56个LCOs中有39个（70%）成功重现了原始组织的类器官形态和组织学特征（图1f）。

图1：为肺癌生物样本库建立的LCOs

与其亲本癌组织相似，源自腺癌的LCOs产生腺泡状或大腺状结构，并保留肺腺癌标志物napsin-A、TTF1和CK7的表达(图2a)。腺鳞状LCOs保留了原始患者肿瘤组织中看到的腺癌和鳞状细胞癌的混合组织学特征。它们还再现了原始癌症组织的标记物表达模式（图2c）。单细胞分析显示类器官结构似乎是由腺癌和鳞癌成分组成（图2e）。小细胞肺癌类器官显示出典型的小细胞形态，即密集的小圆形肿瘤细胞，细胞质稀少，细胞核呈颗粒状。在相应的癌症组织中观测到小细胞癌的诊断标志物的表达（图2d）。

图2：LCOs再现了原始组织的特征

LCOs也保留了对应肺癌组织中的大多数体细胞突变，SNP基因分型的一致性为100%。LCOs保留了大多数变异，包括其原始癌症组织的驱动突变。这些类器官中的变异等位基因分频率（VAF）分布通常保持了原始癌症组织中的VAF分布（图3d）。有3个病例中类器官中的突变数量显示多于原始组织，类器官的特异性突变很可能以较低的频率存在于原发肿瘤中，而不是真正的新突变，因为原发肿瘤组织含有的正常细胞降低了VAF（图3d）。类器官中突变的数量在后来的代次中有所增加，这可能由亚克隆扩展导致（图3f）。

图3 ：LCOs在长期培养后保留了原始组织的遗传特征

作者通过调整培养基，成功实现支气管细胞在10次传代后都能够成功形成NBO（图4a）。NBO从第4次传代开始出现了出芽的小管状类器官，并在随后的10次传代的中长期保持这种形态（图4a）。H&E数据显示，NBO具有由基底细胞和管腔细胞组成的假层上皮，包括分泌细胞和纤毛细胞，如同正常的支气管粘膜组织（图4b）。NBOs中的细胞类型分布与LCOs中的不同。

图4 ：NBOs和LCOs的类器官结构

作者将2D细胞与LCO植入小鼠体内。6个2D培养细胞中只有2个产生了肿瘤（图5a, b），而所有移植的LCOs都在小鼠体内产生了肿瘤，且肿瘤更大、时间更短，（图5c）。

图5 ：来自LCOs的PDXs保持了原始组织的特征

作者通过IHC测试LCOs和PDXs的PD-L1表达，并与原始肿瘤组织进行比较。10个原始肿瘤组织中有两个表达了PD-L1，在匹配的LCOs和PDXs中也观察到同样的模式。

与靶向药物Olaparib、Erlotinib和Crizotinib相比，NBO对细胞毒性药物多西他赛的敏感性显著更高（图6）。由于LCOs源于未用药患者的癌症组织，作者推测样本LCO-51对厄洛替尼的耐药性可能与其组织内在的抗性机制有关。根据基因组数据的拷贝数分析，LCO-51具有MET的扩增，这与对EGFR酪氨酸激酶抑制剂的耐药性有关（图6d）。

图6：LCOs作为预测治疗反应的平台

代表个体患者的体外肺癌模型将促进肺癌个体化药物的发展。本文中，作者描述了一种成功和有效地产生LCOs的方法，这些LCOs再现了原始患者肿瘤的特征。作者建立了一个由80个LCOs组成的生物样本库，这些LCOs来自五个肺癌亚型，涵盖了95%以上患者的肺癌类型。LCOs保持了原始癌症组织的组织学特征。同时，作者采用了一种次优培养基，用于LCOs的高效培养，而不会受到正常细胞污染的困扰。该培养基同时也是NBOs的最佳培养基。此外，LCO衍生的异种移植保持了其亲代器官和原始癌症组织的特征。由3D-LCOs制成的异种移植模型不仅有利于产生大量的PDXs，也有利于研究基质细胞、免疫细胞和癌症器官之间的体内相互作用。最后，对LCOs的药物测试也发现了耐药性的潜在差异。尽管LCO-43和LCO-51具有相同的EGFR突变，但由于不同的次级改变，它们对厄洛替尼和克唑替尼的反应不同。在个性化癌症医学时代，与涉及大量不同患者群体的经典临床设计相比，药物再利用试验、药物组合试验和nof-1试验的新临床试验设计正变得越来越重要。本研究显示生物样本库中的LCOs可用于抗癌药物筛选，或用于预测个别患者药物反应的体外试验。LCOs可能有助于比较多种辅助疗法的疗效。在临床过程中对个别患者进行纵向取样，促进癌症治疗的个性化，以及通过与正常肺类器官的比较来评估药物的毒性。

原文出处：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-11867-6

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