《Nature Medicine》：卵巢癌类器官再现疾病的异质性

卵巢癌（OC）是一种异质性的疾病，通常在晚期被诊断出来。卵巢上皮性肿瘤可分为三大类：边缘性肿瘤（BTs）以及I型和II型肿瘤。BTs占OC恶性肿瘤的15%。BTs经常被发现与I型肿瘤相邻，并具有它们的许多特征。因此，人们认为它们可以转化为I型肿瘤。I型肿瘤在遗传上是稳定的，并带有一套独特的经常突变的基因。II型肿瘤包括高级别浆液性（HGS）肿瘤，它是最常见的OC类型，占死亡率的70-80%。HGS肿瘤经常携带TP53、BRCA1和BRCA2基因的突变，是染色体极端不稳定的癌症。来自Hubrecht Institute的Hans Clevers团队的Oded Kopper等建立了能有效地制造和长期扩增OC类器官的方法，并从32名患者中建立了能代表OC所有主要亚型的56个类器官系。可以进行基因改造的肿瘤类器官再现了相关病变的组织学和基因组学特征，也再现了患者内部和患者之间的异质性。作者表明，OC类器官可用于药物筛选试验，捕捉不同肿瘤亚型对金标准铂类化疗的反应，包括在复发疾病中获得的化疗抗性。最后，OC类器官可以进行异种移植，从而实现体内的药物敏感性试验。以上证明了OC类器官在研究和个性化医疗方面的潜在应用。

OC肿瘤组织和血液来自在化疗前后，接受肿瘤切除和/或腹水/胸腔积液引流的患者。作者使用两种类型的OC培养基培养类器官：有或无Wnt条件培养基。类器官的生长速度在不同的情况下显示出明显的传代间隔和分裂比例的差异性。类器官可以长期扩增，被冻存并复苏。类器官的制造成功率为65%，涵盖了OC谱系的前恶性和恶性肿瘤（图1a）。

与他们的起源组织一致，FT类器官表达了分泌细胞和纤毛细胞的标记，并含有跳动的纤毛细胞。源于上皮组织的OSE类器官显示出囊状表型。

正常的FT和OSE类器官系一致显示出囊性形态。相反，OC类器官在不同的组织学亚型组之间和内部都表现出广泛的形态变化。HGS类器官呈现出广泛的形态谱系，从囊状到致密，具有不同程度的圆形和细胞内聚性。SEM显示，形态上的异质性还体现在细胞水平上。用于类器官衍生的原发肿瘤组织的组织学分析显示了不同程度的正常细胞污染。OC类器官的H&E染色显示了多种肿瘤特征，如存在乳头状结构、核和细胞不典型性，以及蜗牛细胞的特征（图1）。这些特征在正常的上皮细胞的FT和OSE组织中没有检测到。大多数MBT和MC类器官系的周期性酸-Schiff染色阳性，PAX8染色阴性，后者是区分卵巢粘液性和浆液性肿瘤的标志。被测试的卵巢浆液性类器官和相应的肿瘤组织一样，保留了PAX8和p53的表达状态（图1d,e）。这种模式也在不同的HGS类器官系及其相应的肿瘤组织中观察到，并与他们的测序数据一致（图1e）。

图1：OC类器官的亚型多样性和组织学特征

来自同一患者的不同类器官系的平均染色体数有明显的变化（图2a）。拷贝数变异（CNV）分析显示类器官/肿瘤对之间有类似的模式（图2b）。比较早期和晚期HGS类器官的基因组图谱发现，CNVs即使在长期传代后也保持一致（图2c）。

图2：OC类器官保留了相应肿瘤的基因组图谱

KRAS和BRAF基因的体细胞突变经常出现在MC和LGS肿瘤中，在相应的类器官亚型（图3）中被再现。此外，所有来自HGS肿瘤的类器官都显示出非沉默性突变，在某些情况下还伴随着第二等位基因的丢失（图3）。这些致癌突变在类器官和相应的肿瘤之间保持一致（图3）。

图3：OC类器官中的体细胞突变，扩增或缺失

作者比较了来自一名被诊断为LGS OC患者的一个原发和三个转移部位的类器官系（图4a）。CNV分析显示，同一患者的所有肿瘤病变都有染色体的损失和增加，以及只存在于转移部位的拷贝数变化（图4a）。OC类器官衍生的细胞与同样的5个聚类重叠表明它们的异质性和与原始肿瘤样本的相似性（图4d）。HGS-1-R3在聚类5（二倍体细胞）中的相对细胞数量在传代后急剧下降，而在聚类1、2和4（非整倍体细胞）中增加（图4d,e），表明肿瘤细胞随着时间的推移过度繁殖正常细胞，同时保持肿瘤的异质性。

图4：OC类器官再现肿瘤的异质性

分层聚类将类器官归入三个独立的主要组别，代表（1）HGS癌，（2）MC和END肿瘤和（3）主要是LGS癌、FT和OSE（图5）。

图5：OC类器官的基因表达分析

基于铂类药/他啶药物敏感性的无监督层次聚集将类器官分为两个聚类：主要由HGS类器官组成的敏感系和主要由非HGS类器官组成的抗性系（图6b)。来自同一患者的原发化疗敏感肿瘤的HGS-1系，与敏感系聚在一起（图6a,b）。所有FT类器官系都对nutlin3a治疗高度敏感，而敲除了TP53基因的转基因克隆和OC系则具有抗性（图6c,d）。为了确定药物反应相关性是否也存在于OC类器官中，作者使用RECAP对尼拉帕利有不同反应的器官系子集（图6e）进行同源重组测试。与RAD51病灶的geminin+细胞比例高的类器官相比，RAD51病灶的geminin+细胞比例低的类器官对尼拉帕利更敏感（图6e）。

为了验证体外药物敏感性是否在体内再现，作者选择了对吉西他滨高度敏感的HGS-3.1类器官系（图6c）。测量的肿瘤大小所表明，在安慰剂组的小鼠中，肿瘤继续生长；而在吉西他滨处理的小鼠中，肿瘤的生长被完全阻断或减少（图6g）。

图6：体外和体内的药物敏感性试验

本文中，作者建立了一个能够长期在体外扩增、操纵和分析各种OC亚型的类器官模型。OC类器官保持着肿瘤组织学特征以及生物标志物的表达。类器官和相应的肿瘤（包括传代后）在基因组水平上仍然高度相似。此外，类器官再现了OC的特征，如CNVs、复发性突变和肿瘤的异质性。最后，基因表达数据的无监督分层聚类根据肿瘤类型对类器官进行分组，并证明LGS类器官比HGS系更类似于正常样本。与临床观察一致，大多数HGS类器官对基于铂类药的治疗敏感，而非HGS类器官则更耐药（图6b）。实验证明，来自复发肿瘤的类器官系对铂类化疗的耐药性增加，这也从侧面证明了OC类器官的临床意义。未来的研究可以：1）从pBSO材料中建立和分析更多的早期/恶性类器官系，为研究早期肿瘤的发展，2）通过CRISPR介导正常类器官中肿瘤驱动基因的突变，建立额外的癌症模型，3）增加匹配的原发/复发类器官的数量，研究OC类器官的个别药物反应以选择正确治疗方法的复杂性。

原文出处：

https://doi.org/10.1038/s41591-019-0422-6

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