編者按
當前，腫瘤患者來源的類器官（Patient-derived organoids, PDOs）已成為一種極具吸引力的研究模型，可用于轉化研究、新藥研發和個性化診療的預測。根中國國家癌癥中心最新報告，2022年我國約有257萬人死于癌癥，且中國新發癌癥病例約482萬例。隨著癌癥發病率和死亡率的不斷攀升，開發精準的腫瘤檢測和治療臨床前模型勢在必行。
2024年5月27日，由陳曄光院士、高紹榮院士聯合國內頂尖科研院所及醫院的專家發表的首篇類器官藥敏檢測英文專家共識——《Building consensus on the application of organoid-based drug sensitivity testing in cancer precision medicine and drug development》在Theranostics（IF=12.4）發表，該共識重新定義了基于患者衍生類器官（Patient-Derived Organoids, PDOs）的藥物敏感性測試（Drug Sensitivity Testing, DST），為標準化PDOs藥物敏感性測試（DST）首次提供了指導原則，填補類器官藥敏檢測領域專家共識的空白，并概述了PDOs在癌癥精準醫療和藥物開發中的八大潛在應用，為癌癥治療的個性化和創新藥物的發現提供了新的視角和方法論。
文章題目
Building consensus on the application of organoid-based drug sensitivity testing in cancer precision medicine and drug development
雜志：《Theranostics》（IF=12.4）
發表時間：2024年5月27日
作者：陳曄光院士（清華大學、南昌大學基礎醫學院），高紹榮院士（教育部“細胞干性與命運編輯”前沿科學中心、同濟大學）、劉連新教授（中國科學技術大學附屬第一醫院（安徽省立醫院））、劉穎斌教授和向冬喜教授（腫瘤系統醫學全國重點實驗室、上海市腫瘤研究所、上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院）
01、腫瘤類器官及應用場景
腫瘤類器官是具有三維（3D）結構的體外培養模型，由具有干細胞特征的細胞自我分化而來，可長期擴增并重現腫瘤組織中復雜的細胞異質性和空間結構，保留病理組織學特征和一些遺傳特征等。PDOs是器官或組織的微型簡化版本，可通過構建疾病模型、搭建生物樣本庫、模擬腫瘤微環境、藥物發現、精準醫療和基因編輯等，為腫瘤研究和藥物發現提供有價值的平臺。
腫瘤類器官的應用場景主要包括：
1. 構建能夠再現原發腫瘤組織的體外模型：PDOs通過采集不同來源的腫瘤樣本培養而成，包括原發性腫瘤、循環腫瘤細胞和轉移病灶等。在機械和/或酶消化的作用下對組織進行預處理，腫瘤細胞最終在基質中生長成為三維腫瘤PDOs。PDOs內有多種異質細胞，每種細胞在復雜的癌癥發生和發展過程中都扮演著獨特的角色。
2. 建立活體PDOs類器官生物樣本庫：PDOs可長期擴增、冷凍保藏和復蘇，在活躍增殖階段進行冷凍保藏，可提高其復蘇效率。將PDOs置于含有冷凍溶液的冷凍管中，冰上放置30分鐘后在-80°C下冷凍保存過夜，并轉移到液氮中長期儲存。PDOs復蘇時，可在37°C下快速解凍，再置于培養皿中進一步操作。冷凍/解凍單細胞懸液或大型且分化的類器官時如操作不當，可能會導致復蘇不良、形態變化或對藥物篩選結果產生潛在影響。因此，應遵循與細胞系類似的冷凍/解凍原則，且PDOs應在復蘇后的1-2周內恢復其擴增能力。
3. 體外腫瘤模型提供了一種極具價值的標準化實驗平臺，使研究人員能夠調整諸如營養供應、氧氣水平和藥物處理等變量，進而探究它們如何影響腫瘤細胞行為。
4. PDOs可以預測不同類型癌癥患者的臨床反應，如結直腸癌、乳腺癌、肺癌、卵巢癌、尿路上皮癌、胃腸道腫瘤和胰腺癌等，也可以進行前瞻性治療評估，從而推進腫瘤精準醫療。通過培養PDOs篩選潛在最有效的治療方案，通過優化治療方案和減少不必要的副作用，為改善患者預后提供了可能。
5. 通過基因編輯技術對腫瘤驅動基因進行編輯，可以開發出基因修飾的腫瘤類器官模型，從而研究腫瘤基因突變的發育機制，并用于腫瘤生物學研究、耐藥機制探索和癌癥治療新方法的開發。
圖1為類器官模型廣泛的應用前景
02、8大專家共識及解讀
• 專家共識1：PDOs在臨床前研究中具有廣闊的應用前景，可用于新治療靶點的發現和驗證、藥效學評價、實時診斷生物標志物的檢測、藥物適應癥的拓展、藥物作用、耐藥機制的探索以及體內藥代動力學等方面。
解讀：在臨床前研究中，PDOs作為一種高效的“患者替身”，能夠精準復現來源腫瘤組織的復雜細胞結構和功能，為探索疾病機制，闡明分子途徑以及探索治療干預提供了一個卓越的實驗平臺。隨著對不同組織來源的類器官進行建模，它們在多組學分析和基因編輯研究中的應用變得日益重要，特別是臨床前藥物開發階段，在識別新的藥物靶點方面發揮著至關重要的作用（圖2）。
PDOs模擬了來源腫瘤組織的生物學特征，從而為制定匹配的個性化治療策略提供了支持。目前報道的腫瘤類器官模型覆蓋了食管癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、腎癌、結直腸癌和肝癌等多個癌種。同時，PDOs作為有效的臨床前藥物研發模型，被廣泛應用于發現新的藥物靶點、測試藥物劑量、探索診斷生物標志物、重新利用現有藥物，并構建PDO-異種移植（PDOX）模型等。
圖2為腫瘤類器官模型在精準醫療和藥物發現中的應用
• 專家共識2：藥物的臨床前研究在很大程度上依賴于穩健的模型。PDOs非常適用于研究罕見的惡性腫瘤、無可用模型的腫瘤和耐藥腫瘤。
解讀：對那些缺乏有效臨床前研究模型的疾病，腫瘤PDOs模型可作為一種重要的替代方案（圖2），如腫瘤PDOs模型特別適用于研究罕見腫瘤；腫瘤PDOs模型包含了傳統細胞系模型所不具備的新型治療靶點；耐藥腫瘤類器官等。通過解析腫瘤細胞間相互作用、以及腫瘤細胞與周圍的細胞外基質（ECM）相互作用，有助于研究影響腫瘤行為、免疫反應和耐藥性的關鍵表型與機制。這種生理相關性提供了對腫瘤生物學的更全面理解，使探索新的治療靶點和治療方法成為可能。
• 專家共識3：臨床試驗表明，PDO-DST的結果與患者的實際臨床結果密切一致。將PDO-DST整合到臨床研究中可以作為臨床治療反應的預測性生物標志物。
解讀：通過構建與患者相匹配的類器官模型，研究人員能夠測試并分析這些模型對不同治療方案的響應情況，進而確定出針對特定患者的最佳治療策略。類器官在癌癥治療領域的主要應用場景包括：
1. 新輔助治療：對局部晚期癌癥患者進行前瞻性和干預性臨床研究，篩選腫瘤治療選擇方案并預測新輔助治療的潛在受益者。
2. 挽救性治療：對復發風險高或已復發的患者，進行前瞻性和干預性臨床研究，旨在識別潛在的治療受益者。
3. 姑息治療：對無手術指征的惡性腫瘤復發、轉移以及一線或二線治療失敗的患者進行前瞻性和干預性臨床研究，以評估精準治療的潛在受益者。
• 專家共識4：類器官藥物敏感性檢測已開始應用于臨床服務領域；經認可的機構被鼓勵進一步優化實驗室自建開發測試（LDT）的流程。
解讀：如何探索類器官藥物敏感性檢測的LDT模式？在臨床實驗室自建檢測方法（LDTs）中，對基于患者來源組織構建的類器官進行藥物敏感性檢測的研究與應用是一個不斷發展的領域。
這項測試旨在評估類器官對不同藥物或治療方案的反應和敏感性。目前已經成功在體外構建了多種實體瘤的類器官藥物敏感性檢測模型，涵蓋了乳腺癌、膀胱癌、胃癌和直腸癌等多種癌癥類型，這些模型證實了實驗室中藥物敏感性測試的結果與實際臨床治療效果之間的高度一致性，并為研究腫瘤對藥物的敏感性和耐藥性提供了強有力的工具。
盡管還需要更多的研究來驗證類器官藥物敏感性檢測是否能夠提高患者的無病生存期和總生存期，但為了患者臨床獲益，鼓勵醫療機構將這一創新平臺整合到其臨床實驗室自建開發的測試（LDTs）中，將使醫療工作者能夠基于患者腫瘤的具體生物學特性，為患者量身定制更為精準的治療方案，進而顯著提升治療效果（圖3）。
類器官模型用于藥物敏感性檢測的過程可分為：
1. 樣本獲取：原發/轉移性腫瘤、活檢、體液和患者衍生異種移植（PDX）樣本等；
2. 藥物篩選：包括樣本運輸、類器官培養、藥物篩選和數據分析；
3. 臨床治療：為接受化療、放療、靶向治療、免疫治療和聯合治療等治療方案的患者提供治療選擇。
圖3為類器官模型用于藥物敏感性檢測的過程
在將PDOs-DST納入臨床LDT時要考慮以下幾點：
1. 在臨床LDT中實施PDOs-DST需嚴格的驗證、標準化和監管審批，以確保其準確性、可重復性和臨床實用性；
2. 涉及到在各種監管框架中找到合適的空間與方向，并滿足嚴格的標準，以確?；颊叩陌踩院蜋z測結果的可靠性;
3. LDT領域在不斷發展，在臨床LDT中探索PDOs-DST的決策取決于多種因素，包括科學證據、監管方面的考慮及醫療界的需求和優先事項等；
4. 對PDOs-DST及其納入臨床LDT的最新狀態和潛在未來發展的最準確與最新的信息，建議調研科學文獻、咨詢監管機構以及該領域的專業醫療專家。
• 專家共識5：PDO-DST和二代測序都屬于精準醫學領域。然而，PDO-DST具有更高級的應用場景，如新輔助和/或姑息性化療、一線治療無效、晚期和罕見癌癥、轉移性腫瘤等，可以貫穿整個癌癥治療過程。
解讀：哪些患者將從類器官藥物敏感性檢測中獲益？在癌癥的臨床治療中，分子標記物的識別和審慎應用扮演著舉足輕重的角色。然而，真正從基于NGS的精準醫療中獲益的患者比例并不高，不到7%，這一現狀凸顯了癌癥治療中的挑戰和復雜性。
然而，Vlachogiannis在2018年報告稱，類器官藥物敏感性檢測在晚期胃腸腫瘤的治療中展現出了顯著的優勢。該檢測不僅實現了100%的陰性預測，而且陽性預測也高達88%，為PDOs的臨床應用奠定了堅實的基礎。類器官藥物敏感性檢測可以為患者對特定藥物或治療方案的反應提供有價值的參考，從而指導治療決策并改善患者預后。
類器官藥物敏感性檢測可能獲益的人群包括：1) 實體腫瘤患者；2) 接受新輔助化療的患者；3) 考慮靶向治療的患者；4) 患有罕見或難治性腫瘤的患者；5) 初始治療失敗的患者；6) 復發或轉移性腫瘤患者；7) 對放療耐藥的腫瘤患者；8) 晚期癌癥患者；9) 治療選擇有限的患者
• 專家共識6：對于PDO-DST，通過穿刺或胃腸內鏡獲得的小手術活檢樣本可以作為癌組織的來源。類器官培養的成功取決于諸如起始組織樣本中細胞的活力和質量等因素，以及用于類器官生成的具體方案和培養條件。研究人員和臨床醫生在為他們的研究或臨床應用選擇最合適的樣本類型時需要考慮這些因素。
解讀：哪些類型的樣本適用于類器官培養？PDOs可根據具體的研究或臨床目標使用不同類型的樣本培養構建。不同樣本類型對PDOs培養的適用性可能因相關器官、可及性和組織完整性的保存等因素而異，獲取高質量的樣本是類器官成功構建的關鍵環節。在避免使用壞死、受損或纖維化組織的同時，采集更多的腫瘤細胞，成功率會更高。
適用于類器官培養的主要樣本類型包括：1）外科手術切除的新鮮樣本；2）經皮或內窺鏡活檢樣本；3）液體活檢樣本；4）冷凍保存的樣本；5）患者來源的異種移植（PDX）樣本。
• 專家共識7：PDO-DST可用于預測個體患者化療、放療、靶向治療和免疫治療的療效。
解讀：類器官藥物敏感性檢測能夠對哪些治療策略進行評估？主要治療策略包括：
1. 化療：化療是目前治療實體瘤的主要方法，也是PDOs-DST的主要應用方向，包括單藥和藥物聯合治療。PDOs-DST與患者臨床響應之間的相關性已經得到了廣泛的報道。
2. 放療：與化療相似，包括單獨放療和與其它藥物聯用的組合治療。
3. 靶向治療：靶向治療在大多數實體瘤治療中尚未得到充分利用，但肺部和乳腺惡性腫瘤除外。對臨床診斷和治療建議，PDOs-DST、組織學標記與大規模、高通量基因突變篩查可能會成為常規手段。
4. 免疫治療：免疫療法作為一種癌癥治療手段，展現出了巨大的潛力和應用前景。然而，還需進一步的研究來探索如何利用類器官藥物敏感性檢測來預測其在臨床上的效果，包括：如何在體外維持免疫微環境、如何將類器官與免疫細胞共培養、如何在類器官模型中評估免疫檢查點抑制劑（ICIs）的療效，以及免疫與化療聯合療法的療效、如何在體外試驗中評估適應性細胞療法（如CAR-T和TILs）的療效等。
5. 聯合療法：PDOs-DST可以幫助優化聯合療法。通過檢測PDOs對各種藥物組合的響應，臨床醫生可以確認增強治療效果的協同或疊加效應，有助于設計個性化的聯合療法策略，有可能提高響應率并克服藥物耐藥性。
特別是，PDOs-DST可用于優化現有的免疫與聯合療法，以及評價新型的聯合手段。在臨床上，免疫療法正在越來越多地與化療、放療和靶向療法相結合。目前已經有各種多中心、前瞻性和大規模的聯合療法臨床研究，這些臨床試驗的結果將通過PDOs模型進行驗證。
• 專家共識8：為進一步推動PDO-DST及其臨床應用，需要研究人員、臨床醫生、監管機構和醫療保健利益相關者之間的合作努力。時效性是PDO-DST臨床應用需考慮的因素，可能的話，在1到3周內產生報告，并且必須通過技術發展逐步縮短PDO-DST所需的時間。持續的研發、驗證研究、技術進步和建立共識的努力對于克服這些局限性和發揮精準醫學中PDO-DST的全部潛力至關重要。
解讀：類器官藥物敏感性檢測在臨床應用前需要克服哪些關鍵問題和挑戰？在將類器官藥物敏感性檢測轉化為臨床實踐的過程中，遇到了一些關鍵性的障礙和限制條件，這些問題需要被有效解決以便推動其更廣泛的應用。
值得關注和解決的關鍵挑戰包括（圖4）：樣本獲取和處理；流程標準化；建模和檢測周期；腫瘤類器官構建的成功率；模擬腫瘤微環境；培養基的優化；用于測試的藥物濃度的確定；類器官藥敏敏感性測試的質量控制；驗證以及確認藥敏結果與臨床結果的相關性；監管標準；時間和成本的考慮等。
圖4為類器官模型的挑戰和發展方向
03、編者點評
該專家共識是患者來源類器官（Patient-derived organoids, PDOs）在藥物研發與精準醫療中應用相關的首篇英文專家共識，重新定義了PDOs藥物敏感性檢測（Drug sensitivity testing, DST）概念，提出了PDOs-DST在腫瘤精準醫療和藥物研發領域的8點專家共識，并肯定了類器官在臨床前藥物研發和臨床精準醫療中的應用可行性，首次明確規范了PDOs在藥物研發與精準醫療兩個領域的具體應用場景與條件，展望了未來在嚴格的監管制度下類器官技術的巨大潛力，為將來類器官臨床應用指南的制定提供重要的理論支持。
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