熱烈歡迎上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院于穎彥教授受邀擔任大會主席參加即將于2023年5月19-20日召開的“2023（第三屆） 3D細胞培養與類器官研討會”，并分享“人胃腸上皮與腫瘤類器官的團體標準及其應用進展”主題報告。
2022年底，約瑟夫·拜登總統簽署了一項引人注目的立法，針對于美國食品和藥物管理局 (FDA) 批準新藥。根據這份文件，FDA 不再必須在臨床試驗前對潛在藥物進行動物試驗。作為替代方案，可以依賴計算機建模、器官芯片和類器官。類器官在癌癥研究中的潛在價值，特別是在藥物發現方面，受到了極大的關注。
近日，上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院于穎彥教授團隊在國際癌癥研究權威刊物Cancer Letters發表了題為“Patient-derived organoids in translational oncology and drug screening”的綜述文章。該文全面闡述了患者源性類器官（PDO）從構建到發病機制以及藥物篩選研究中的最新進展，在生物醫藥領域類器官模型日益受到重視的當下具有重要參考價值。
來源：https://doi.org/10.1016/j.canlet.2023.216180
類器官是活組織在離體環境下進行的3D培養體系，可以很好地模擬了體內微環境。因此，類器官可以重現其來源組織的形態表型、功能和基因譜系特征。依賴于活組織內存在的成體干細胞，類器官可以自組織并分化成多系列細胞。自2009年荷蘭科學家Hans Clevers團隊成功將Lgr5+腸道干細胞在體外培養成具有隱窩狀和絨毛狀結構的上皮類器官，該實驗技術得到迅速發展。目前，在胃腸道癌、腎癌、卵巢癌、肺癌、乳腺癌、肝癌和胰腺癌等均有成功利用PDO開展轉化型研究的報道。
在這篇綜述中，研究人員回顧了構建患者源性類器官（PDOs）的關鍵因素，包括培養基和基質、形態特征、遺傳圖譜、腫瘤純化、傳代、共培養系統的構建、藥物敏感性檢查，以及高通量藥物篩選。研究人員系統地介紹了類器官的應用潛力。
一、PDO的構建
1. 培養基和基質
培養基和培養基質是類器官構建的關鍵因素。培養基是從原始組織中衍生和維持類器官的基礎材料。一般來說，advanced DMEM/F12輔以B27、GlutaMax、HEPES 、青霉素/鏈霉素為基本培養基成分，根據原始組織類型添加生長因子或信號通路拮抗劑等其他成分。培養基中的外源因子負責調節多種信號通路，促進類器官的自我更新、增殖和組織特異性分化。
2. 腫瘤類器官的純化
Wallaschek 及其同事探索了純化胃癌類器官的方法，并提出了三種方法。第一種方法結合了來自突變分析的先驗知識。第二種方法是通過人工選擇，根據形態學表型從培養物中去除正常的類器官。第三種方法是使用基于流式細胞術的細胞分選從癌癥類器官中收集單細胞。
3. 類器官的傳代和壽命
目前，關于類器官體外傳代次數或壽命的報道有限。由于它們缺乏血管系統，因此類器官的壽命、大小和成熟度可能受到限制。總的來說，源自正常組織的類器官表現出有限的傳代，而腫瘤類器官表現出相對無限的傳代潛力。但更長時間的傳代研究和類器官生物學特性的鑒定還需要進一步積累。
來源：https://doi.org/10.1016/j.canlet.2023.216180
4. 類器官的高保真性
篩選有效的抗癌藥物需要相關的高保真模型來進行個性化治療。PDO 可以重現體內發生的藥物反應。隨著基因組測序的快速發展，藥物基因組學研究產生了豐富的基因組-藥物相關數據，可用于預測臨床藥物反應。PDO 是準確反映原始組織生物學特性的理想模型和工具。
5. 類器官與腫瘤微環境（TME）成分和病原體的共培養系統
盡管類器官是常規治療中篩選藥物敏感性的合適實驗模型，但它們無法反映癌細胞與腫瘤微環境(TME) 相關細胞（如成纖維細胞、內皮細胞、免疫細胞和微生物）之間發生的相互作用情況。迄今為止，還沒有構建共培養系統的標準化方法。每個實驗室都處于探索階段。因此，迫切需要探索用于致癌研究的共培養系統的標準化以及癌癥治療中藥物敏感性的評估。
二、類器官的應用
類器官已被用于多個領域，例如組織形態發生、良性或惡性疾病的發病機制、致癌物毒理學、治療反應和高通量藥物篩選。
來源：https://doi.org/10.1016/j.canlet.2023.216180
三、類器官系作為一種新工具
類器官系 (OL) 是一個新概念，是相對于科學實驗中常規使用的細胞系 (CL)而言。當前，使用類器官系的場景相對混亂，需要進一步規范。例如，一些實驗室將已經成功建立并可用于后續實驗的類器官統稱為類器官系。總的來說，很少有關于構建類器官系的報道。考慮到類器官在臨床病理學和遺傳背景中通過后續基因組或轉錄組學分析的高保真度，類器官系將成為精準醫學中的寶貴資源。
四、人工智能與類器官的整合
目前，評估PDOs的生長狀態，如活性或老化，依賴于人工顯微鏡觀察，基于人工智能（AI）的自動形態學評估將會大大改善這一點。在體外顯微鏡下很容易獲得 3D 培養系統的多個實時圖像。AI 的優勢在于能夠處理數以千計的圖像，有效地評估類器官的生存能力或對類器官的亞型進行分類。人工智能算法已經在類器官領域進行了探索。然而，人工智能與類器官技術的整合仍處于起步階段。它將在高通量藥物篩選分析以及類器官活組織庫的質量控制中發揮重要作用。
總之，與傳統細胞系或 PDX 模型相比，PDOs 具有與其原始腫瘤相似的形態、分子特征和藥物敏感性，在精準醫學中發揮著重要作用。培養基、基質、共培養系統的標準化將是下一步的發展方向。在臨床前和臨床領域，PDO 將為個性化用藥提供有價值的信息。在生物工程領域，腦類器官將會有意想不到的發展。2022 年 2 月，第一屆類器官智能 (OI) 研討會在約翰霍普金斯大學舉行，為將 OI 建立為一門新的科學學科奠定了基礎。Cai 和他的同事們已經開發出了名為 brainoware的活體 AI 片上硬件，它利用大腦類器官的計算能力并通過多電極陣列接收或發送信息。這種方法可以從訓練數據中學習，甚至可以求解非線性方程。
總的來說，類器官的發展可能會促進生物醫學和日常生活的范式改變。