清華-伯克利深圳學(xué)團(tuán)隊在3D打印器官研究領(lǐng)域取得重要成果

來源：清華新聞網(wǎng)

近日，清華-伯克利深圳學(xué)院(TBSI)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與公共健康研究中心馬少華副教授、黃來強(qiáng)教授團(tuán)隊在類器官研究中取得重要成果，成功建立了類器官均一化、自動化、高通量培養(yǎng)平臺，制備的人源和鼠源的正常組織和腫瘤類器官，形態(tài)結(jié)構(gòu)均一，忠實地保留了源組織/腫瘤從基因分子細(xì)胞到組織生理病理的特性、對藥物和治療的反應(yīng)功能。其中腫瘤類器官高度保持了源腫瘤的異質(zhì)性和患者之間的異質(zhì)性，為腫瘤的發(fā)病機(jī)理研究、藥物和療法的篩選和評價、個體化精準(zhǔn)治療，以及再生醫(yī)學(xué)的研究和開發(fā)提供了優(yōu)良的技術(shù)平臺和疾病模型。

△腫瘤類器官制備及應(yīng)用路線圖

類器官在生物醫(yī)學(xué)醫(yī)藥研究、個性化治療以及再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中基于癌癥病人腫瘤組織在體外三維培養(yǎng)的腫瘤類器官（Tumor Organoid），作為腫瘤疾病模型，在癌癥藥物、療法、個性化精準(zhǔn)治療的研究和開發(fā)中具有巨大的應(yīng)用潛力。但是，目前類器官研究還存在諸多問題：類器官形態(tài)及組成的可控性差；同批次類器官個體之間，以及不同批次類器官樣本之間均存在顯著差異；建模周期長（培養(yǎng)周期需要4-6周），而且建模過程缺乏自動化操控，耗時費(fèi)力。

腫瘤內(nèi)在的異質(zhì)性給實體腫瘤的治療和構(gòu)建疾病模型均帶來艱巨的挑戰(zhàn)：在同一種腫瘤中可以存在不同的基因型或者亞型的細(xì)胞，因此同一種組織來源的腫瘤在不同個體身上可表現(xiàn)出不一樣的藥物反應(yīng)、治療效果及預(yù)后，而且同一個腫瘤也存在差異很大的細(xì)胞亞群。如何準(zhǔn)確、高效地在疾病模型中預(yù)測腫瘤對于抗癌藥物和療法的反應(yīng)是當(dāng)今研究的重點之一。傳統(tǒng)的藥物篩選和評價模型，包括2D細(xì)胞、3D細(xì)胞、PDX小鼠模型等，存在預(yù)測準(zhǔn)確率不高，缺乏病理生理相關(guān)度高的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，或建模成功率低、周期長、可控性低、難以規(guī)�；�等缺陷。腫瘤類器官有希望克服這些缺陷而成為更優(yōu)越的腫瘤模型；然而，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，目前的腫瘤類器官尚需大幅改進(jìn)，不僅要解決前述類器官的共性問題，而且要解決腫瘤異質(zhì)性帶來的特有問題，盡可能地模擬體內(nèi)微環(huán)境，保持源腫瘤的異質(zhì)性，以及患者個性化的特性。

針對這些問題，本研究團(tuán)隊以微流控聯(lián)動3D打印技術(shù)快速制造、培養(yǎng)和自動化操控建立正常組織和腫瘤類器官，全過程均一可控，可高通量規(guī)�；�。通過微流控液滴技術(shù)將含有細(xì)胞的Matrigel剪切成直徑約500微米的均一化微球并將其作為細(xì)胞活動的結(jié)構(gòu)模板，經(jīng)過1周培養(yǎng)熟化（細(xì)胞自組織）即可形成類器官。利用這個平臺成功培養(yǎng)了小鼠肝、肺、腎等正常組織的類器官，癌癥病人肺、腎、胃、直腸等多種腫瘤的類器官。

△器官制備技術(shù)平臺示意圖

本研究實驗分析表明，所制備的正常和腫瘤類器官，類器官個體之間形態(tài)和尺度均一；組織病理學(xué)特性與其源組織/腫瘤一致；細(xì)胞學(xué)生物標(biāo)志物蛋白質(zhì)的表達(dá)與其源組織/腫瘤一致。RNA測序表明類器官與其源組織/腫瘤的基因表達(dá)譜高度一致；全基因外顯子測序顯示腫瘤類器官與其源腫瘤保持了97%的單核苷酸變異的重疊，以及>93%相同的原癌基因突變；這些類器官能很好地反映其源組織/腫瘤的遺傳背景、基因型和表達(dá)譜。

△正常和腫瘤類器官的組織病理學(xué)特性與基因表達(dá)及變異圖譜與源組織高度一致

本研究進(jìn)一步對制備的類器官進(jìn)行了對抗癌藥物反應(yīng)的功能測試分析，并與源腫瘤/組織個體的臨床效果數(shù)據(jù)對比。研究團(tuán)隊培養(yǎng)了源自21位癌癥病人手術(shù)切除的腫瘤的類器官，用于對31個抗腫瘤藥物的敏感性篩選測試，測試結(jié)果對比病人臨床實際用藥及病人疾病狀態(tài)，結(jié)果顯示腫瘤類器官具有81%的預(yù)測準(zhǔn)確率，這表明腫瘤類器官高度重現(xiàn)了源腫瘤病人對于抗癌藥物的反應(yīng)以及病人個體之間的反應(yīng)差異。并且，腫瘤類器官對有效抗癌藥物的劑量敏感，也反映了患者之間的異質(zhì)性。同時，本研究還通過實驗展示，源于小鼠正常肝、腎組織的類器官可準(zhǔn)確預(yù)測抗腫瘤藥物的毒副作用。

△腫瘤類器官重現(xiàn)患者對抗癌藥物的反應(yīng)及個體之間的差異反應(yīng)

本研究成果在專注于轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的《細(xì)胞》（Cell）子刊《細(xì)胞報告醫(yī)學(xué)》（Cell Reports Medicine）以研究長文的形式發(fā)表，題為“自動化制備均一的并維持患者腫瘤異質(zhì)性的類器官技術(shù)平臺”（An Automated Organoid Platform with Inter-organoid Homogeneity and Inter-patient Heterogeneity）。

本論文通訊作者為TBSI黃來強(qiáng)教授和馬少華副教授；第一作者為TBSI黃來強(qiáng)課題組博士生蔣盛威、馬少華課題組博士生趙浩然，以及鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院副主任醫(yī)師張偉杰。鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院、北京大學(xué)深圳醫(yī)院，深圳大學(xué)總醫(yī)院等為本研究提供了臨床樣本和數(shù)據(jù)等支持。本研究得到國家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委、深圳市發(fā)改委、腫瘤化學(xué)基因組學(xué)國家重點實驗室的資助支持。

論文鏈接：
https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(20)30208-1