編者按
在癌癥研究與治療領(lǐng)域，如何實現(xiàn)精準醫(yī)療、提升藥物研發(fā)效率一直是核心議題。
由國內(nèi)多家三甲醫(yī)院和研究機構(gòu)專家共同參與完成，并發(fā)表在《Theranostics》（IF：12.4）期刊上的共識——“Building consensus on the application of organoid-based drug sensitivity testing in cancer precision medicine and drug development”，深入探討了類器官藥物敏感性檢測在腫瘤精準醫(yī)療和藥物研發(fā)中的應用，凝聚了領(lǐng)域內(nèi)眾多權(quán)威專家的集體智慧，對規(guī)范該領(lǐng)域的研究與應用具有重要意義。
01、研究背景
《Nature Methods》將類器官列為2017年度十大技術(shù)之一。患者來源的類器官（PDOs）作為一種革命性的體外模型，已成為腫瘤臨床和基礎研究的理想工具，其在轉(zhuǎn)化研究、新藥研發(fā)以及個性化醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出越來越廣闊的應用前景。基于器官芯片模型的臨床前療效結(jié)果，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）于2022年7月首次批準Sutimlimab開始臨床試驗，且無需依賴傳統(tǒng)的體內(nèi)實驗數(shù)據(jù)。這標志著利用類器官進行藥物研發(fā)的一個重要里程碑。
隨著癌癥患者發(fā)病率和死亡率的不斷上升，必須開發(fā)精確的腫瘤檢測和治療的臨床前模型。本共識主要聚焦于實體腫瘤的PDOs，概述了PDOs在腫瘤精準醫(yī)療和藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的8種潛在應用，為未來的研究和治療提供了新的方向。
02、腫瘤類器官定義
患者來源的類器官（PDOs）是具有三維（3D）結(jié)構(gòu)的體外培養(yǎng)模型，從具有干細胞特征的細胞中自我分化而來，能長期增殖培養(yǎng)，重現(xiàn)原始腫瘤復雜的細胞異質(zhì)性和空間結(jié)構(gòu)，模擬起源組織的功能和生物學行為，保留病理組織學特征和一些遺傳特征，如驅(qū)動基因的突變和擴增。
PDOs 是器官或組織的微型簡化版本，可以在實驗室進行體外培養(yǎng)，并成為腫瘤研究和藥物發(fā)現(xiàn)的寶貴平臺，主要原因有以下幾點：
（1）精準再現(xiàn)腫瘤起源：作為體外模型，能高度模擬腫瘤的真實狀態(tài)；
（2）構(gòu)建多樣化生物樣本庫：可建立腫瘤組織起源的活體類器官生物樣本庫；
（3）體外建模條件可控：能調(diào)控營養(yǎng)供給、氧氣供應水平和藥物暴露，研究其對腫瘤細胞行為的影響；
（4）預測臨床反應：對不同類型癌癥患者的臨床反應具有預測作用；
（5）建立轉(zhuǎn)基因模型：可構(gòu)建轉(zhuǎn)基因腫瘤類器官模型，探究腫瘤基因突變的發(fā)生機制。
圖1. 類器官模型的應用。PDO 概括了生理特性和功能，提供了更加真實和有效的技術(shù)平臺。它們在各個研究領(lǐng)域都有潛在的應用，例如構(gòu)建疾病模型、生物樣本庫、基因治療、藥物發(fā)現(xiàn)和精準醫(yī)學。
03、PDOs在癌癥研究中的應用
3.1 臨床前研究應用
1). 新治療靶點發(fā)現(xiàn)與驗證：
通過對類器官進行各種干預實驗，如基因編輯、藥物處理等，觀察類器官的生物學行為變化，從而發(fā)現(xiàn)潛在的治療靶點，并驗證其有效性；
2). 藥效學評估：
利用類器官模型評估藥物對腫瘤細胞的作用效果，包括藥物的殺傷能力、對細胞增殖和凋亡的影響等，為藥物的療效評價提供直觀的數(shù)據(jù)；
3). 伴隨診斷生物標志物檢測：
檢測類器官中與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、治療反應相關(guān)的生物標志物，幫助醫(yī)生更準確地判斷患者的病情和預后，指導個性化治療方案的制定；
4). 藥物適應癥拓展：
研究類器官對不同藥物的反應，探索現(xiàn)有藥物在不同癌癥類型或不同臨床階段的新適應癥，提高藥物的利用率；
5). 藥物作用和耐藥機制探索：
觀察藥物處理后類器官的分子生物學變化，深入研究藥物的作用機制以及腫瘤細胞產(chǎn)生耐藥性的機制，為克服耐藥提供理論依據(jù)；
6). 模擬體內(nèi)藥代動力學研究：
通過在類器官模型中模擬藥物在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄過程，研究藥物的藥代動力學特征，為臨床用藥劑量和給藥方案的優(yōu)化提供參考。
專家共識1
PDO在臨床前研究中具有廣泛的應用前景，可用于新治療靶點的發(fā)現(xiàn)和驗證、藥效學評估、伴隨診斷生物標志物檢測、藥物適應癥擴展、藥物作用和耐藥機制的探索以及模擬體內(nèi)藥代動力學研究等。
3.2 罕見與耐藥腫瘤研究
罕見惡性腫瘤和耐藥腫瘤由于病例數(shù)量少、缺乏有效的研究模型，其治療一直是臨床難題。PDOs能夠從患者的腫瘤組織中建立，為這些難以研究的腫瘤提供了理想的模型。通過對罕見腫瘤類器官的研究，可以深入了解其生物學特性和發(fā)病機制，開發(fā)針對性的治療方法；對于耐藥腫瘤類器官，能夠研究耐藥的發(fā)生機制，尋找克服耐藥的策略。
專家共識2
藥物的臨床前研究很大程度上依賴于穩(wěn)健的模型。PDO非常適合研究罕見的惡性腫瘤、尚無現(xiàn)有模型的腫瘤和耐藥物種。
3.3 臨床試驗療效預測
大量臨床試驗表明，類器官藥物敏感性檢測（DST）結(jié)果與患者實際臨床療效密切相關(guān)。將PDO-DST整合到臨床試驗中，可以作為臨床治療反應的預測生物標志物。醫(yī)生可以根據(jù)類器官對不同藥物的敏感性，為患者選擇最有可能有效的治療方案，提高治療的成功率，減少無效治療帶來的副作用和經(jīng)濟負擔。截至2023年9月3日，ClinicalTrial.Gov上已注冊了159個與類器官相關(guān)的癌癥研究項目 ，涵蓋多種癌癥類型，充分體現(xiàn)了類器官在臨床試驗中的應用潛力。
專家共識3
臨床試驗表明，類器官DST的結(jié)果與患者的實際臨床結(jié)果密切相關(guān)。將類器官DST納入臨床研究中，有望成為預測臨床治療反應的生物標志物。
4. 類器官在臨床服務中的應用與規(guī)范
4.1 臨床服務應用現(xiàn)狀
類器官藥物敏感性檢測已開始應用于臨床服務領(lǐng)域，為癌癥患者的個性化治療提供了新的手段。醫(yī)生可以根據(jù)患者腫瘤類器官對不同藥物的反應，制定更精準的化療、放療、靶向治療、免疫治療和聯(lián)合治療方案，提高治療效果，改善患者的預后。
圖3. 類器官模型用于藥物敏感性檢測的過程。該流程可概括為三個步驟：1）樣本獲取：獲取原發(fā)性/轉(zhuǎn)移性腫瘤、活檢樣本、體液樣本以及患者來源的異種移植（PDX）樣本等；2）藥物篩選：包括樣本運輸、類器官構(gòu)建、藥物篩選以及數(shù)據(jù)分析；3）臨床治療：為患者提供化療、放療、靶向治療、免疫治療以及聯(lián)合治療等多種治療方案選擇。
專家共識4
類器官 DST 已應用于臨床服務；鼓勵經(jīng)認可的機構(gòu)完善其實驗室自建開發(fā)測試（ LDT ）協(xié)議。
專家共識5
類器官DST和NGS測序都屬于精準醫(yī)學領(lǐng)域。但類器官 DST 有更豐富的應用場景，如新輔助和/或姑息性化療、一線治療無效、晚期和罕見腫瘤以及轉(zhuǎn)移性腫瘤等。并且可以在癌癥治療的整個過程中實施。
4.2 規(guī)范需求與措施
為了確保類器官檢測結(jié)果的準確性和可靠性，經(jīng)認可的機構(gòu)需要進一步優(yōu)化實驗室自建開發(fā)測試（LDT）的流程，這包括：嚴格控制樣本采集、運輸、儲存和處理的各個環(huán)節(jié)，確保類器官培養(yǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性；建立標準化的藥物處理和檢測方法，保證檢測結(jié)果的可重復性；加強對檢測人員的培訓和資質(zhì)認證，提高檢測的準確性和規(guī)范性。
同時，需要建立嚴格的質(zhì)量控制體系和監(jiān)管機制，對類器官檢測實驗室進行定期評估和監(jiān)督，確保檢測服務符合臨床要求。
專家共識6
對于類器官 DST，通過穿刺或胃腸內(nèi)窺鏡檢查獲得的手術(shù)活檢微量腫瘤樣本，可用于類器官DST。類器官培養(yǎng)的成功取決于原始組織樣品中細胞的活力和質(zhì)量，以及用于生成類器官的特定方案和培養(yǎng)條件等因素。研究人員和臨床醫(yī)生在選擇合適的樣本類型進行研究及臨床應用時應考慮這些因素。
04、挑戰(zhàn)與展望
5.1 當前面臨挑戰(zhàn)
1) 類器官構(gòu)建技術(shù)有待完善：雖然類器官技術(shù)取得了顯著進展，但仍存在一些技術(shù)難題，如類器官的血管化程度不足，缺乏神經(jīng)和免疫細胞等，導致其無法完全復制器官的所有特征，限制了對腫瘤微環(huán)境的全面模擬。
2）缺乏統(tǒng)一標準：目前類器官的培養(yǎng)、檢測和數(shù)據(jù)分析等方面缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，不同實驗室之間的結(jié)果可比性較差，不利于類器官技術(shù)的廣泛應用和推廣。
3）臨床轉(zhuǎn)化困難：從實驗室研究到臨床應用的轉(zhuǎn)化過程中，還面臨著諸多挑戰(zhàn)，如臨床試驗的設計和實施難度較大、成本較高、患者接受度較低等，需要進一步探索有效的解決方法。
專家共識7
類器官 DST 可用于預測特定患者化療、放療、靶向治療和免疫治療的療效。
5.2 未來發(fā)展方向
1) 技術(shù)創(chuàng)新：鼓勵研究人員不斷探索和開發(fā)新的培養(yǎng)技術(shù)、檢測方法和數(shù)據(jù)分析算法，提高類器官構(gòu)建的效率和質(zhì)量，實現(xiàn)類器官的血管化和神經(jīng)化，引入免疫細胞，完善類器官模型，使其更接近真實的腫瘤微環(huán)境。
2）標準化與規(guī)范化建設：建立國際統(tǒng)一的類器官技術(shù)標準和規(guī)范，包括樣本采集、培養(yǎng)條件、藥物處理、檢測方法、數(shù)據(jù)分析等各個環(huán)節(jié)，促進不同實驗室之間的數(shù)據(jù)共享和合作，提高檢測結(jié)果的可重復性和可靠性。
3）多學科合作：加強基礎研究與臨床應用的結(jié)合，促進生物學、醫(yī)學、藥學、工程學等多學科領(lǐng)域的協(xié)同合作，共同解決類器官技術(shù)在發(fā)展過程中遇到的問題，推動類器官技術(shù)的快速發(fā)展。
4）臨床轉(zhuǎn)化推進：通過開展大規(guī)模的臨床試驗，驗證類器官技術(shù)在不同癌癥類型和治療階段的適用性和有效性，提高醫(yī)生和患者對類器官技術(shù)的認識和接受度，加快類器官技術(shù)在臨床實踐中的應用。
圖4. 類器官模型面臨的挑戰(zhàn)及改進方向。目前類器官的發(fā)展面臨著一定的挑戰(zhàn)，這需要研究人員不斷努力改進并加以克服。這些挑戰(zhàn)至少包括：1）樣本獲取與處理；2）標準化流程；3）周轉(zhuǎn)時間；4）腫瘤類器官構(gòu)建的成功率；5）腫瘤微環(huán)境的模擬；6）培養(yǎng)基的優(yōu)化；7）藥物濃度的確定；8）腫瘤類器官的優(yōu)化；9）臨床方案的制定；10）監(jiān)管標準；11）時間和經(jīng)濟成本的考量。
專家共識8
應對這些挑戰(zhàn)需要研究人員、臨床醫(yī)生、監(jiān)管機構(gòu)和醫(yī)療行業(yè)利益相關(guān)方之間的共同努力，以推進類器官 DST 的發(fā)展并實現(xiàn)其廣泛的臨床應用。進行類器官 DST 時應始終考慮時效性，盡管已經(jīng)可以在1-3周內(nèi)完成測試并生成報告，但仍需通過技術(shù)改進逐步縮短類器官 DST 所需的時間。持續(xù)性的研究、驗證性研究、技術(shù)革新以及建立共識的努力，對于克服現(xiàn)有局限并充分發(fā)揮類器官 DST 在精準醫(yī)療中的潛力至關(guān)重要。
作為健康美麗產(chǎn)業(yè)CRO服務開拓者與引領(lǐng)者、斑馬魚生物技術(shù)的全球領(lǐng)導者，環(huán)特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”多維生物技術(shù)服務體系，開展健康美麗CRO服務、科研服務、智慧實驗室搭建三大業(yè)務。目前，環(huán)特已建立200多種斑馬魚模型，胃癌、腦類器官、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養(yǎng)平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！
參考文獻
Xiang D, He A, Zhou R, et al. Building consensus on the application of organoid-based drug sensitivity testing in cancer precision medicine and drug development. Theranostics. 2024;14(8):3300-3316. Published 2024 May 27. doi:10.7150/thno.96027