摘要：在医学研究的前沿，胰腺导管腺癌（PDAC）一直是一个棘手的挑战。这种癌症以其高度侵袭性和对传统治疗方法的抵抗性而闻名，使得患者的生存率极低。但是，希望的曙光正在出现。科学家们正在利用创新的实验室技术，如类器官、组织切片和器官模型培养，来揭开PDAC的神秘面纱，

在医学研究的前沿，胰腺导管腺癌（PDAC）一直是一个棘手的挑战。这种癌症以其高度侵袭性和对传统治疗方法的抵抗性而闻名，使得患者的生存率极低。但是，希望的曙光正在出现。科学家们正在利用创新的实验室技术，如类器官、组织切片和器官模型培养，来揭开PDAC的神秘面纱，并寻找更有效的治疗策略。这些模型不仅让我们能够更近距离地观察癌细胞的行为，还能够模拟肿瘤微环境的复杂性，为我们提供了对抗这一致命疾病的新武器。让我们一起探索这些革命性的模型是如何帮助我们深入理解PDAC，并为患者带来新的治疗希望的。

文章介绍

题目：类器官、组织切片和器官模型培养：通过体外和离体模型深化我们对胰腺导管腺癌的理解

杂志：Seminars in Cancer Biology

影响因子：IF=12.1

发表时间：2024年12月

#1

研究背景

Background

PDAC是预后极差的常见实体瘤，发病率与死亡率相近，总体生存率低。手术切除是唯一可能的治愈方法，但大多数患者在诊断时已晚期。PDAC特征包括高度纤维化和免疫抑制的肿瘤微环境（TME），影响疾病进展和治疗抵抗。PDAC在肿瘤生物学上存在显著异质性，增加治疗决策复杂性。因此，研究PDAC的实验模型必须准确反映这些特征，以改善治疗效果和患者生存率。

传统2D细胞培养和不朽化细胞系缺乏三维结构组织，无法准确模拟患者治疗反应或肿瘤细胞与微环境的相互作用。动物模型虽常用于研究，但并不总是理想或可行。因此，发展了多种体外和离体模型系统，如类器官共培养和组织切片等。然而，这些模型可能无法准确捕捉导致PDAC预后不良的特征。

本综述旨在探讨当前可用的体外模型系统如何捕捉PDAC的关键特征，并提供模型选择和优化的建议。通过这些模型系统，研究者希望更深入理解PDAC的生物学特性，包括治疗抵抗性、转移潜力和肿瘤微环境的复杂性。优化这些模型有助于开发更有效的治疗策略，提高PDAC患者的治疗效果和生存率。

#2

研究结果

Results

1. 胰腺导管腺癌模型

PDAC是致死率较高的癌症之一，手术切除是唯一可能的治愈方法，但大多数患者在诊断时已处于晚期。PDAC的TME复杂，包含多种细胞类型，具有独特的机械和免疫抑制特性，以及高度的异质性。因此，需要新的治疗方法来应对这些挑战。实验模型必须准确反映PDAC的特征，包括体外和离体模型，它们在控制环境中维持自然功能。本综述讨论了这些模型的优缺点，并提供了选择和优化模型的建议，以克服使用脊椎动物模型的伦理问题，并作为这些模型的替代或补充（表1）。

表1

1.1 贴壁细胞系和肿瘤球

2D细胞培养，包括永生化和原代细胞系，在癌症研究中广泛应用。永生化细胞系因其同质性、无限增殖能力和易再现性，适合高通量药物筛选。原代细胞系则更真实地反映原始肿瘤异质性，尽管更难维持。尽管有超过500个PDAC细胞系，但2D模型缺少3D结构组织，无法准确模拟治疗反应和肿瘤与微环境的相互作用。三维肿瘤球虽可调易维护，但同样缺乏PDAC的组织结构和遗传异质性。

1.2 类器官和共培养物

肿瘤类器官是从原发肿瘤组织中提取的三维模型，能够再现原始肿瘤的生物学特征，并且可以体外扩增及冷冻保存，对转化医学和个性化治疗具有重要意义。类器官培养可通过与肿瘤微环境中的细胞共培养来增强其复杂性。Hans Clevers的研究表明，肠隐窝绒毛单位能从单个干细胞自我组织和分化，而David Tuveson的研究小组开发了PDAC类器官模型，有效模拟肿瘤发生过程。优化的3D培养条件已建立，用于从人多能干细胞中产生模拟PDAC的肿瘤类器官，保留肿瘤异质性和患者特异性生理特征，为精准医学提供支持。研究还发现，将多能干细胞注射到免疫缺陷小鼠体内可产生PanIN并发展为侵袭性PDAC。

1.3 类器官切片和循环肿瘤细胞

类器官切片培养物（OTSC）是一种短期体外培养方法，保持了原发肿瘤的多细胞三维结构和TME。循环肿瘤细胞（CTC）衍生的培养物也在PDAC研究中被描述，但技术成熟度不如其他系统。

2. 胰腺癌微环境

2.1 癌症相关成纤维细胞和细胞外基质

胰腺癌间质形成涉及肿瘤细胞和基质CAF的双向作用，因此评估CAF在体外模型中的作用至关重要。水凝胶支架用于共培养PDAC细胞、ECM和CAF，包括重组深层培养、3D微流体培养和气液界面（ALI）培养。类器官模型揭示了CAF异质性，如Ohlund等人发现的肌成纤维细胞（myCAF）和炎性CAF（iCAF）。Elyada等人通过单细胞RNA测序鉴定了抗原呈递CAF（apCAF）。

体外模型有助于阐明CAF功能可塑性，例如JAK抑制剂对myCAF的影响。新“微型肿瘤”模型显示PDAC类器官和CAF相互作用促进疾病进展，CAF赋予耐药性。不同CAF来源的PDAC模型，如ALI共培养系统，提供了癌症复发机制的独特视角。肿瘤外植体和器官型切片培养维持TME成分，对理解肿瘤-TME相互作用至关重要，尽管寿命较短，但提供了肿瘤动态的独特快照。

2.2 免疫肿瘤微环境

尽管免疫检查点阻断在多种实体瘤中有效，但在PDAC中尚未证明其疗效。PDAC是一种“免疫冷”肿瘤，免疫细胞浸润少，抗原呈递有限，免疫抑制信号丰富。TME对免疫细胞的浸润和激活构成障碍，包括CAF、抑制性免疫细胞等。体外模拟PDAC对免疫疗法的反应挑战在于需要代表TME的异质性、结构和细胞间相互作用。单细胞RNA测序显示PDAC TME内存在不同的免疫细胞亚型。传统的2D基于细胞的免疫疗法筛选方法过于简单，而更先进的模型包括与CAF共培养的癌细胞和淋巴细胞作为覆盖层。OTSC作为最生理相关的体外培养系统，保留了完整的微环境和原始细胞外基质，适用于筛选免疫调节剂或联合治疗，以及评估过继细胞免疫疗法。技术进步使得OTS分析能够涵盖多种功能性读出。PDAC中的TAM源自组织驻留巨噬细胞和炎症单核细胞，具有免疫抑制促纤维化表型。研究巨噬细胞-癌细胞相互作用的作用时，可以使用U937单核细胞系或从小鼠骨髓中分离出的细胞。

3. 异质性

3.1 肿瘤间异质性

研究将PDAC的遗传异质性划分为具有不同肿瘤生物学和临床特征的亚型，主要基于DNA异常模式。类器官和其他体外模型在研究遗传异质性方面的应用有限，且多集中于mRNA分析。亚型中，上皮生物学亚型预后相对较好，而间充质特性亚型与侵袭性生长和不良预后相关。单细胞分析支持两层异质性的存在，但也揭示了额外的细胞类型。分子亚型最初因间充质亚型的侵袭性而具有预后意义，后来发现还能预测对标准疗法的反应，增加了临床相关性。然而，亚型研究和类器官开发多使用切除标本，导致早期疾病模型过度代表，侵袭性间充质亚型代表性不足。体外模型存在分子亚型划分的固有偏见，贴壁细胞系可能富集间充质表型。体外组织切片可能短期内最准确反映肿瘤亚型，但存在实验操作挑战。组织型共培养系统避免了偏见，但不适用于高通量。

3.2 瘤内异质性

PDAC表现出高度的肿瘤内异质性，包括细胞团的诱导等级差异和遗传组成的空间异质性。这种异质性由内在机制（如遗传改变和表观遗传修饰）和肿瘤微环境的细胞外因子共同驱动。关于PDAC中遗传异质性的来源，存在两种假设：一是肿瘤内异质性可能是随机遗传变异的正选择结果；二是高水平的亚克隆异质性可能从肿瘤早期就持续存在。研究表明，PDAC肿瘤中不同遗传变化的亚克隆通过克隆进化竞争。单细胞和空间转录组学提高了我们对肿瘤内细胞多样性的理解，但在单细胞分辨率下实现蛋白质组学景观的详细表征仍是挑战。PDAC中的单细胞蛋白质组学和空间蛋白质组学技术揭示了新的治疗靶点和生物标记物。随着技术进步，结合多组学数据和人工智能有望改善胰腺癌预后。考虑到空间异质性和非肿瘤细胞来源的线索，从肿瘤多个部位获得的组织切片等离体模型可能是最合适的研究系统。

4. 血管生成

PDAC的TME特征包括低血管和缺氧。基质成分的增加导致基质压力升高，损害微血管密度，促进肿瘤进展。PDAC组织的血流量减少，阻碍药物输送，限制化疗效果，血管密度增加可能与患者预后改善相关。缺氧诱导因子-1α (HIF-1α)刺激下，新血管形成，但灌注不良，分布不均。这些病理标志与术后复发、转移和生存率差相关。体外模型常缺乏血管系统，限制了其模拟能力，研究正致力于将血管系统纳入类器官模型。例如，与HUVEC共培养形成血管生态位，PDAC细胞在可灌注的内皮腔附近培养，以及开发芯片类器官血管系统，这些研究有助于理解PDAC的血管生成和药物递送。

5. 高转移潜力

5.1 建立迁移和入侵模型

癌细胞的迁移和侵袭对于肿瘤的逃逸和定植至关重要。传统上，癌细胞迁移在2D环境中以集体方式测量，但新的受体-基质相互作用研究需要更复杂的实验设计。Scratch和Transwell实验显示，CAF促进上皮间质转化（EMT）并增强癌细胞迁移。Transwell检测可用于模拟入侵，通过在膜上添加基质涂层。在3D环境中，细胞即使无ECM粘附也能迁移，而PDAC的单细胞侵袭罕见，可通过活细胞显微镜测量。CAF与癌细胞相互作用，在PDAC转移中起重要作用，共培养球状体可用于评估癌细胞的侵入性形成和迁移。TAM通过多种机制促进PDAC细胞侵袭性，包括分泌因子、外泌体传递和MMP诱导。研究基质重塑时，可将荧光肽掺入凝胶中量化MMP活性，同时观察浸润足。其他微环境因素如缺氧和营养可用性也影响转移过程。PDAC TME中还存在其他非恶性细胞类型，但尚未系统地引入转移性体外模型。

5.2 建立外渗和内渗模型

癌细胞内渗和外渗涉及通过内皮进入血液和从血液进入转移部位。Transwell实验模拟内皮细胞迁移，而人造肿瘤微血管平台和微流体装置则模拟血管流动和趋化因子刺激。肿瘤血管的通透性和周围细胞覆盖率变化需纳入模型。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）通过促血管生成因子和MMP促进癌细胞与脉管系统相互作用。CTC在PDAC中具有间充质表型和干细胞特性，基于尺寸的CTC分离更成功，可作为预后标志物和研究外渗及转移性播种。

5.3 建立转移播种模型

PDAC常转移到肝脏，影响患者生存。原发肿瘤分泌因子促进CTC附着和生态位建立，肝脏常驻细胞响应这些信号，为转移前生态位准备。3D肝脏模型和生物反应器用于模拟癌细胞肝种子，维持功能肝细胞，有效整合癌细胞系，为研究癌细胞适应行为提供平台。PDAC也是腹膜转移的常见部位，通过组织工程技术建立的三维人工腹膜组织模型，成功用于观察转移播种和侵袭。

5.4 神经侵袭

PDAC中的神经侵袭（NI）与疼痛和生存率降低相关，并促进转移。研究PDAC细胞与神经元的相互作用方法多样，包括共培养PDAC细胞与背根神经节（DRG）神经元，以及雪旺细胞与PDAC细胞的相互作用研究。这些研究表明，雪旺细胞来源的TGF-β促进癌细胞运动，且能物理引导癌细胞向神经。尽管类器官共培养和器官芯片系统用于模拟神经与癌症的相互作用仍有限，但它们能再现NI过程。将免疫细胞和成纤维细胞等其他成分纳入共培养系统，以及特定的培养方法模拟功能神经元，对于整合功能性神经结构到PDAC模型中是必要的挑战。

6. 抗药性

PDAC以其对化疗和放疗的高度耐药性而著称，导致治疗效果受限和预后不良。耐药性的复杂性体现在不同患者对治疗的反应差异，以及多步骤过程中的代谢适应、EMT激活和干细胞特性的再激活。尽管2D细胞系模型易于操作，但3D模型如球体和类器官更接近体内条件，表现出更高的治疗耐药性。3D共培养模型对于研究PDAC细胞与TME的复杂相互作用至关重要。免疫疗法虽被提出用于PDAC治疗，但临床结果尚不令人信服，类器官与免疫细胞共培养有助于研究其疗效。微生物组，尤其是肠道微生物，被认为可能影响肿瘤耐药性，但研究仍处于初级阶段。因此，理解和克服PDAC的耐药性需要综合考虑肿瘤特征、TME和微生物组等新兴因素，3D共培养模型的发展对于揭示耐药机制和确定新治疗策略至关重要。

7. 其他

选择合适的转译模型时，除了肿瘤生物学特性，还需考虑实际因素。模型系统需要特定基础设施和专业知识，起始材料质量关键，理想情况是从刚切除的肿瘤中提取大量样本。培养基组成显著影响类器官形态、转录组和对治疗的反应。模型需时间效率高，快速提供治疗敏感性或耐药性评估。Kim等人的研究显示，新鲜的EUS-FNB样本可用于建立PDO，成功率高，可进行药物敏感性试验。类器官形成和扩张率通常低于30%，修改培养基可能提高成功率，但批次间可变性仍是问题。Matrigel作为关键基质，但其可变性和杂质影响类器官表型，推动了合成材料如透明质酸、聚乙二醇和明胶的使用。缺乏多细胞成分和脉管系统是类器官培养的缺陷，原代组织中的基质细胞在长期培养中丢失。微芯片技术和封装方法提供了可控设置，允许类器官与周围环境一起生长，调节药物剂量，监测细胞状态。标准化体外模型系统和实验程序可提高可比性和可重复性，但复杂模型中难以实现。全基因组筛选技术的出现允许评估所有基因对肿瘤生长和耐药性的贡献，但需要易处理的细胞系统，复杂的多细胞系统难以应用。

#4

研究结论

Suggestion

本综述深入探讨了PDAC的研究进展，特别是在体外和离体模型方面的应用。这些模型包括类器官、组织切片和器官模型培养，它们为研究PDAC的复杂肿瘤微环境、治疗抵抗性和肿瘤异质性提供了强有力的工具。通过这些先进的模型系统，科学家们能够更精确地模拟PDAC的生物学行为，包括其对化疗药物如奥沙利铂的抵抗性。这些发现不仅增进了我们对PDAC复杂性的理解，也为开发新的治疗策略和个性化医疗提供了新的方向。随着对这些模型的进一步优化和应用，我们期待在PDAC治疗领域取得更多的突破，为患者带来更有效的治疗方案。

参考文献

Aksoy SA, Earl J, Grahovac J, Karakas D, Lencioni G, Sığırlı S, Bijlsma MF. Organoids, tissue slices and organotypic cultures: advancing our understanding of pancreatic ductal adenocarcinoma through in vitro and ex vivo models. Semin Cancer Biol. 2024 Dec 25:S1044-579X(24)00097-X. doi: 10.1016/j.semcancer.2024.12.003. Epub ahead of print. PMID: 39730107.

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来源：培养盒守护者