清华大学熊卓/古槿Nature Communications: 具有异质肿瘤微环境的个性化肺癌类组装体模型

2024-05-02 22:08

肿瘤模型,是肿瘤研究与肿瘤治疗评估的重要工具,也是抗肿瘤药物研发的关键限速因素。传统的肿瘤模型(二维肿瘤细胞、小鼠模型等)无法重现人体内肿瘤的三维结构和复杂微环境,尽管当下热门模型肿瘤类器官,在分子和组织形态上与病人肿瘤保持了较好的一致性,但肿瘤类器官存在成分单一,缺乏TME和批次内一致性差等问题。如何快速精准构建具有异质性肿瘤微环境的个性化肿瘤模型是肿瘤研究与治疗领域亟待解决的关键问题。

基于此,清华大学机械系熊卓、张婷课题组联合清华大学自动化系古槿课题组在Nature Communications杂志上发表最新研究成果:“A patient-specific lung cancer assembloid model with heterogeneous tumor microenvironments”.该研究创新性提出基于液滴微流控技术快速精准构建个性化肺癌类组装体模型,该模型具有良好的批次内一致性,体外重现了个性化肿瘤的异质性和微环境(包括免疫微环境),可精准预测临床病人药物的响应性(图1),为肿瘤个性化治疗和药物精准筛选提供了一个新模型,具有重要的转化应用前景。


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清华大学机械系原博士后张艳梅(现为北京市科学技术研究院副研究员)、自动化系胡启帆博士生和北京大学肿瘤医院裴宇权主任为本文的第一作者,清华大学机械系熊卓教授和清华大学自动化系古槿副教授为本文的通讯作者。北京市科学技术研究院新材料和先进制造研究所、北京大学肿瘤医院、解放军总医院和中国医学科学院肿瘤医院共同参与了本项研究。该研究得到清华大学丰田基金、国家自然科学-青年基金的支持。


为了实现快速精准构建具有肿瘤微环境的类组装体模型,研究团队首先开发了基于微量上样策略的液滴微流控技术和具有良好原代细胞生物相容性的水凝胶材料,并将肺癌患者来源的肺癌类器官(LCOs)、肿瘤相关成纤维细胞(CAFs)和肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)包埋于优化的水凝胶材料(GelMA-Matrigel)中,通过矿物油相剪切、405紫外光固化形成大小为400-500微米的类组装体前体,体外培养3-5天既可形成具有类肿瘤组织结构和肿瘤微环境细胞的类组装模型(LCAs)(图1,图2)。该技术具有精准微量控制、快速精确成型特征,可以对临床穿刺样本来源的微量细胞(5-10微升)进行精准上样控制,在0.6分钟的时间即可形成200多个LCAs。另外,LCAs个体之间具有良好的大小尺寸和细胞分布的一致性。基于GelMA-Matrigel材料形成的类组装模型可以直接冻存和复苏,复苏后的LCAs仍然能够维持很好的类组织结构形态和细胞活性,为类组装体存储成库奠定基础。


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图1 个性化肺癌类组装体模型


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图2 基于微滴微流控技术快速构建批次内一致性的肺癌类组装体模型


为了充分验证类组装模型的有效性,研究团队通过转录组、基因组、单细胞测序和病理染色分析等方法在分子、细胞和组织层面全方位证明了类组装体与对应体内肿瘤的相似性(图3,图4),同时发现LCAs 模型可以体外重构功能异质的CAFs,体现CAFs对肿瘤药物响应性的影响。这是肿瘤类器官所缺乏的功能。


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图3 肺癌类组装体保留了亲本肿瘤的组织学异质性和肿瘤微环境特征


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图4 肺癌类组装体保留了亲本肿瘤异质性、TME和细胞间相互作用特征


肿瘤模型是否可作为药物精准筛选和个性化诊疗的精准模型,公认的标准包括:1)药物筛选平行组间的一致性和可重复性,2)反应临床药物响应的个体间异质性;3)临床病人药物响应预测的精准性。研究团队分别进行了验证,发现基于LCAs模型的药物测试结果可重复性强、平行组间一致性好,而且可以充分反应个体间药物响应的差异性,并且可以很好地预测临床靶向治疗和基于PD-1 的免疫联合化疗,7例临床病人的药物响应的预测准确性达到100%。充分证明了LCAs模型可以作为理想的肿瘤药物筛选模型和个性化指导用药模型(图5)。团队未来将在更多样本和更多癌种中进一步验证模型在个性化指导用药中的应用价值。


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图5 肺癌类组装体可作为个性化药物测试的强大临床前模型