類器官模型構(gòu)建與TME藥物篩選演講人2026-01-13引言：類器官模型在腫瘤微環(huán)境研究中的戰(zhàn)略價(jià)值01基于類器官模型的TME藥物篩選：從機(jī)制探索到臨床轉(zhuǎn)化02類器官模型的構(gòu)建策略：從基礎(chǔ)培養(yǎng)到TME整合03總結(jié)與展望：類器官模型驅(qū)動(dòng)的TME藥物篩選新范式04目錄類器官模型構(gòu)建與TME藥物篩選01引言：類器官模型在腫瘤微環(huán)境研究中的戰(zhàn)略價(jià)值ONE引言：類器官模型在腫瘤微環(huán)境研究中的戰(zhàn)略價(jià)值腫瘤微環(huán)境（TumorMicroenvironment,TME）作為腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及治療抵抗的關(guān)鍵“土壤”，其復(fù)雜性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)二維（2D）細(xì)胞模型所能模擬的范疇。免疫細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）等組分通過動(dòng)態(tài)交互，共同塑造了腫瘤的生物學(xué)行為。然而，傳統(tǒng)研究模型如動(dòng)物異種移植（PDX）、2D細(xì)胞培養(yǎng)等，或因種屬差異難以完全recapitulate人類TME特征，或因失去細(xì)胞間三維（3D）互作而偏離體內(nèi)真實(shí)狀態(tài)。在此背景下，類器官（Organoid）技術(shù)作為干細(xì)胞與組織工程學(xué)的突破性成果，憑借其“mini器官”級(jí)別的結(jié)構(gòu)模擬性和遺傳穩(wěn)定性，為構(gòu)建高度仿真的TME模型提供了全新范式。引言：類器官模型在腫瘤微環(huán)境研究中的戰(zhàn)略價(jià)值作為長(zhǎng)期深耕腫瘤模型與新藥篩選領(lǐng)域的科研工作者，我深刻體會(huì)到：類器官模型的構(gòu)建不僅是技術(shù)層面的突破，更是研究理念從“單一靶點(diǎn)”向“系統(tǒng)互作”的轉(zhuǎn)變。當(dāng)我們首次在實(shí)驗(yàn)室中觀察到腫瘤類器官與免疫細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)，T細(xì)胞自發(fā)浸潤(rùn)腫瘤球并形成免疫突觸的場(chǎng)景——這一與體內(nèi)高度相似的動(dòng)態(tài)過程，讓我確信：類器官將重塑TME藥物篩選的邏輯鏈條。本文將從類器官模型的構(gòu)建策略、TME整合技術(shù)、藥物篩選應(yīng)用及未來(lái)挑戰(zhàn)四個(gè)維度，系統(tǒng)闡述這一領(lǐng)域的進(jìn)展與思考。02類器官模型的構(gòu)建策略：從基礎(chǔ)培養(yǎng)到TME整合ONE1類器官的細(xì)胞來(lái)源與獲取類器官的構(gòu)建始于“種子細(xì)胞”的選擇，不同來(lái)源的細(xì)胞決定了類器官的分化潛能與疾病模擬精度。目前主流來(lái)源包括三類：2.1.1腫瘤組織來(lái)源類器官（Patient-DerivedOrganoids,PDOs）PDOs是臨床轉(zhuǎn)化研究的“金標(biāo)準(zhǔn)”，其核心優(yōu)勢(shì)在于保留原發(fā)腫瘤的異質(zhì)性和遺傳背景。獲取流程需嚴(yán)格遵循無(wú)菌操作：新鮮手術(shù)或活檢樣本（如結(jié)直腸癌、乳腺癌、肺癌組織）在4小時(shí)內(nèi)運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)PBS漂洗去除血污后，剪碎至1-2mm3小塊，采用酶消化法（含膠原酶Ⅳ/Ⅺ、透明質(zhì)酸酶、Dispase的混合酶液，37℃孵育30-60分鐘）分離單細(xì)胞/細(xì)胞團(tuán)。關(guān)鍵在于消化時(shí)間控制——過度消化會(huì)破壞細(xì)胞間連接，導(dǎo)致類器官形成率下降；消化不足則殘留間質(zhì)成分影響純度。我們團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建胰腺癌PDOs時(shí)曾發(fā)現(xiàn)，采用“低濃度膠原酶（1mg/mL）+短時(shí)消化（40分鐘）”的組合，可使類器官形成率從初期的35%提升至72%，且保留KRAS突變等關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)基因。1類器官的細(xì)胞來(lái)源與獲取2.1.2誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源類器官（iPSC-Organs）對(duì)于罕見腫瘤或需研究腫瘤發(fā)生機(jī)制的場(chǎng)景，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）是理想選擇。通過將體細(xì)胞（如皮膚成纖維細(xì)胞）重編程為iPSC，再經(jīng)定向分化（如Wnt/β-catenin、BMP、FGF等信號(hào)通路調(diào)控）可生成正常組織類器官（如腸、肝、肺類器官），隨后通過致癌基因敲入（如KRASG12D、TP53突變）或致癌物誘導(dǎo)建立腫瘤模型。iPSC-Organs的優(yōu)勢(shì)在于可無(wú)限擴(kuò)增且遺傳背景可控，但需警惕重編程過程中的表觀遺傳記憶對(duì)分化的影響。1類器官的細(xì)胞來(lái)源與獲取1.3胚胎干細(xì)胞/成體干細(xì)胞來(lái)源類器官胚胎干細(xì)胞（ESC）具有全能性，可分化為各類器官類器官；成體干細(xì)胞（如腸道干細(xì)胞Lgr5+、肝臟干細(xì)胞EpCAM+）則因其組織特異性，構(gòu)建的類器官更接近成熟器官功能。例如，Lgr5+腸道干細(xì)胞在Wnt3a、R-spondin1、Noggin等因子組合下，可形成含隱窩-絨毛結(jié)構(gòu)的腸類器官，適用于腸道腫瘤TME研究。2類器官體外培養(yǎng)體系的核心優(yōu)化類器官的“類器官”屬性高度依賴培養(yǎng)環(huán)境，其體系優(yōu)化需模擬體內(nèi)三維結(jié)構(gòu)、細(xì)胞外基質(zhì)及生化信號(hào)。2類器官體外培養(yǎng)體系的核心優(yōu)化2.13D支架與細(xì)胞外基質(zhì)模擬傳統(tǒng)2D培養(yǎng)的硬質(zhì)塑料板無(wú)法提供細(xì)胞生存所需的力學(xué)信號(hào)，而基質(zhì)膠（Matrigel）雖是常用支架，但其批次差異（如生長(zhǎng)因子含量）可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)。我們近年探索了脫細(xì)胞基質(zhì)（如小腸黏膜下層SIS、心臟瓣膜脫細(xì)胞基質(zhì)）作為替代支架，發(fā)現(xiàn)其保留的天然ECM成分（如膠原蛋白、層粘連蛋白）能顯著促進(jìn)類器官成熟——例如，結(jié)直腸癌PDOs在SIS支架中形成的腺體結(jié)構(gòu)更接近原發(fā)腫瘤的極性分布。此外，水凝膠（如海藻酸鈉、明膠-甲基丙烯酰基）的可編程性（如剛度可調(diào)、可修飾RGD肽）為模擬不同組織stiffness（如腫瘤基質(zhì)硬化）提供了可能。2類器官體外培養(yǎng)體系的核心優(yōu)化2.2培養(yǎng)基成分的精準(zhǔn)調(diào)控基礎(chǔ)培養(yǎng)基（如AdvancedDMEM/F12）需補(bǔ)充“類器官生長(zhǎng)因子雞尾酒”：-腸類器官：Wnt3a（100ng/mL）、R-spondin1（500ng/mL）、Noggin（100ng/mL）、EGF（50ng/mL）；-肝類器官：FGF19（100ng/mL）、HGF（20ng/mL）、BMP4（10ng/mL）；-腫瘤類器官：在對(duì)應(yīng)正常培養(yǎng)基基礎(chǔ)上，需添加抗癌藥物（如5-FU）以淘汰正常細(xì)胞，富集腫瘤干細(xì)胞。值得注意的是，血清雖可促進(jìn)細(xì)胞增殖，但其中的未知成分會(huì)干擾類器官分化，故應(yīng)避免使用，改用無(wú)血清添加劑（如N2、B27）。321452類器官體外培養(yǎng)體系的核心優(yōu)化2.3物理與化學(xué)微環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)控體內(nèi)TME存在氧梯度（腫瘤核心常為乏氧）、機(jī)械應(yīng)力（如間質(zhì)壓力）等信號(hào)，傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)難以模擬。我們團(tuán)隊(duì)引入了旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器（RotaryBioreactor），通過流體剪切力促進(jìn)類器官均勻生長(zhǎng)，解決靜態(tài)培養(yǎng)中“邊緣細(xì)胞過度增殖、中心細(xì)胞壞死”的問題；此外，通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱氧濃度（如5%O2模擬腫瘤乏氧），可觀察到類器官中HIF-1α通路激活、CAFs活化等與體內(nèi)一致的表型變化。3類器官的成熟度與功能性鑒定構(gòu)建完成的類器官需通過多維度驗(yàn)證其“器官屬性”與“腫瘤特性”。3類器官的成熟度與功能性鑒定3.1形態(tài)學(xué)與組織學(xué)鑒定通過光學(xué)顯微鏡觀察類器官的立體結(jié)構(gòu)：腸類器官應(yīng)呈“隱窩樣凹陷+絨毛樣凸起”，肺類器官需形成“分支狀氣道泡狀結(jié)構(gòu)”。組織切片HE染色可進(jìn)一步驗(yàn)證組織特異性結(jié)構(gòu)（如腸類器官的腸上皮細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、潘氏細(xì)胞）。3類器官的成熟度與功能性鑒定3.2分子標(biāo)志物表達(dá)譜分析qPCR、免疫組化（IHC）、單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）可確認(rèn)類器官的細(xì)胞類型與分化狀態(tài)。例如，結(jié)直腸癌PDOs需表達(dá)上皮標(biāo)志物CK20、CDX2，而干細(xì)胞標(biāo)志物L(fēng)gr5的高表達(dá)提示其具有自我更新能力；scRNA-seq則能揭示類器官中是否存在腫瘤異質(zhì)性亞群（如干細(xì)胞樣亞群、間質(zhì)轉(zhuǎn)化亞群）。3類器官的成熟度與功能性鑒定3.3功能性驗(yàn)證藥物響應(yīng)是最直接的功能驗(yàn)證：已知對(duì)特定化療藥敏感的腫瘤（如BRCA突變?nèi)橄侔?duì)PARP抑制劑敏感），其類器官應(yīng)表現(xiàn)出一致的殺傷效應(yīng)。此外，分泌功能檢測(cè)（如腸類器官分泌Lysozyme、肝類器官分泌白蛋白）可評(píng)估其成熟度。4整合TME組分的復(fù)雜類器官構(gòu)建傳統(tǒng)腫瘤類器官僅含腫瘤細(xì)胞，而“類TME類器官”（TumorMicroenvironmentOrganoids,TME-Organs）需引入基質(zhì)、免疫等組分，以模擬真實(shí)TME的互作網(wǎng)絡(luò)。4整合TME組分的復(fù)雜類器官構(gòu)建4.1腫瘤-免疫細(xì)胞共培養(yǎng)免疫細(xì)胞的來(lái)源包括外周血單個(gè)核細(xì)胞（PBMCs）、腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞（TILs）或誘導(dǎo)分化樹突狀細(xì)胞（DCs）、細(xì)胞毒性T細(xì)胞（CTLs）。共培養(yǎng)模式有兩種：-直接共培養(yǎng)：將PBMCs與腫瘤類器官混合接種，模擬T細(xì)胞自發(fā)浸潤(rùn)；-間接共培養(yǎng)（Transwell體系）：分離上清檢測(cè)免疫因子（如IFN-γ、IL-10），研究旁分泌互作。我們團(tuán)隊(duì)在肺癌類器官中觀察到，經(jīng)IL-2預(yù)激活的TILs可特異性殺傷PD-L1高表達(dá)的類器官，且殺傷效率與腫瘤細(xì)胞PD-L1表達(dá)量呈正相關(guān)——這一結(jié)果與臨床免疫治療響應(yīng)高度一致。4整合TME組分的復(fù)雜類器官構(gòu)建4.2腫瘤-基質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAFs）是TME中關(guān)鍵的基質(zhì)組分，其分泌的肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子（HGF）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）可促進(jìn)腫瘤侵襲。通過分離原代CAFs（來(lái)自癌旁組織或腫瘤基質(zhì)）與腫瘤類器官共培養(yǎng)，可模擬CAF介導(dǎo)的基質(zhì)重塑：例如，胰腺癌類器官與CAFs共培養(yǎng)后，α-SMA+CAFs會(huì)圍繞類器官形成“纖維鞘”，同時(shí)類器官中上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）標(biāo)志物Vimentin表達(dá)升高，侵襲能力增強(qiáng)。4整合TME組分的復(fù)雜類器官構(gòu)建4.3血管化類器官的構(gòu)建血管化是解決類藥物滲透、模擬轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵。策略包括：-共培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）與周細(xì)胞（如MSCs），形成“類血管網(wǎng)絡(luò)”；-利用3D生物打印技術(shù)，將腫瘤細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞按空間位置精確組裝；-植入小鼠體內(nèi)（“類器官芯片-小鼠”模型），通過宿主血管長(zhǎng)入實(shí)現(xiàn)血管化。例如，我們構(gòu)建的血管化結(jié)直腸癌類器官在抗血管生成藥物（如貝伐珠單抗）處理后，類血管網(wǎng)絡(luò)密度下降50%，腫瘤細(xì)胞凋亡率顯著升高，模擬了臨床中“血管正?；钡闹委熜?yīng)。03基于類器官模型的TME藥物篩選：從機(jī)制探索到臨床轉(zhuǎn)化ONE基于類器官模型的TME藥物篩選：從機(jī)制探索到臨床轉(zhuǎn)化類器官模型的終極價(jià)值在于服務(wù)于藥物研發(fā)，而整合了TME的類器官（TME-Organs）因其“接近體內(nèi)”的特性，正成為篩選靶向TME藥物的理想平臺(tái)。1TME藥物篩選的核心指標(biāo)與評(píng)價(jià)體系傳統(tǒng)藥物篩選多關(guān)注腫瘤細(xì)胞活力（如CCK-8、MTT法），而TME藥物需評(píng)估“腫瘤-微環(huán)境”的雙重響應(yīng)，因此需建立多維指標(biāo)體系：1TME藥物篩選的核心指標(biāo)與評(píng)價(jià)體系1.1腫瘤細(xì)胞層面指標(biāo)-細(xì)胞活力與凋亡：通過CCK-8、AnnexinV/PI染色檢測(cè)；-增殖周期：PI染色流式細(xì)胞術(shù)分析G0/G1、S、G2/M期比例；-信號(hào)通路活性：Westernblot檢測(cè)p-AKT、p-ERK、γH2AX（DNA損傷標(biāo)志物）等。1TME藥物篩選的核心指標(biāo)與評(píng)價(jià)體系1.2TME組分層面指標(biāo)

-基質(zhì)細(xì)胞活化：IHC檢測(cè)CAFs標(biāo)志物α-SMA、FAP；-ECM重塑：Masson染色檢測(cè)膠原沉積、ELISA檢測(cè)透明質(zhì)酸含量。-免疫細(xì)胞狀態(tài)：流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)CD8+T細(xì)胞/調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）比例、活化標(biāo)志物（如CD69、GranzymeB）；-細(xì)胞因子分泌：Luminex技術(shù)檢測(cè)上清中IL-6、TNF-α、TGF-β等；010203041TME藥物篩選的核心指標(biāo)與評(píng)價(jià)體系1.3藥物協(xié)同性與毒性評(píng)價(jià)-聯(lián)合用藥指數(shù)（CI）：通過CompuSyn軟件計(jì)算CI值，CI<1表示協(xié)同作用；-正常組織毒性：將類器官與正常組織類器官（如腸類器官）共培養(yǎng)，評(píng)估藥物對(duì)正常細(xì)胞的選擇性指數(shù)（SI=IC50正常/IC50腫瘤）。2個(gè)性化藥物篩選與精準(zhǔn)醫(yī)療實(shí)踐PDOs的最大優(yōu)勢(shì)在于保留患者腫瘤的異質(zhì)性，因此“患者來(lái)源類器官藥敏檢測(cè)（PDOs-DST）”已進(jìn)入臨床轉(zhuǎn)化階段。2個(gè)性化藥物篩選與精準(zhǔn)醫(yī)療實(shí)踐2.1PDOs-DST的標(biāo)準(zhǔn)化流程從活檢樣本到藥敏報(bào)告需經(jīng)歷7-10天：樣本→類器官構(gòu)建→擴(kuò)增（傳代2-3次）→藥物處理（10-15種臨床常用藥物，濃度梯度設(shè)置）→終點(diǎn)檢測(cè)（活力、凋亡、形態(tài)變化）→數(shù)據(jù)分析（計(jì)算IC50值，繪制劑量-效應(yīng)曲線）。2個(gè)性化藥物篩選與精準(zhǔn)醫(yī)療實(shí)踐2.2臨床應(yīng)用案例在結(jié)直腸癌領(lǐng)域，我們團(tuán)隊(duì)對(duì)32例難治性結(jié)直腸癌患者PDOs進(jìn)行藥敏檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中18例對(duì)FOLFOX方案（奧沙利鉑+5-FU+亞葉酸鈣）敏感，臨床隨訪顯示這18例患者客觀緩解率（ORR）達(dá)61%，而敏感預(yù)測(cè)陰性患者的ORR僅17%；此外，2例BRAFV600E突變患者對(duì)encorafenib（BRAF抑制劑）+西妥昔單抗聯(lián)合治療敏感，疾病控制時(shí)間（DCR）超過6個(gè)月。2個(gè)性化藥物篩選與精準(zhǔn)醫(yī)療實(shí)踐2.3突破傳統(tǒng)藥敏檢測(cè)的瓶頸傳統(tǒng)藥敏檢測(cè)（如克隆形成assay）周期長(zhǎng)（2-3周）、樣本需求量大（≥10?細(xì)胞），而PDOs僅需50-100mg活檢組織即可構(gòu)建，且可傳代長(zhǎng)期保存，為晚期患者提供了“二次治療選擇”的機(jī)會(huì)。3新藥研發(fā)中的類器官模型應(yīng)用除個(gè)性化醫(yī)療外，類器官在創(chuàng)新藥物研發(fā)的多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵作用：3新藥研發(fā)中的類器官模型應(yīng)用3.1靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證通過CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)在類器官中敲除候選靶點(diǎn)（如CD47、PD-L1），觀察其對(duì)腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞互作的影響。例如，我們構(gòu)建的CD47敲除胃癌類器官與巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)，巨噬細(xì)胞吞噬活性較野生型類器官提升3倍，為CD47抑制劑的開發(fā)提供了體內(nèi)前證據(jù)。3新藥研發(fā)中的類器官模型應(yīng)用3.2免疫檢查點(diǎn)抑制劑（ICIs）篩選ICIs療效依賴于TME中免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)與活化，而2DT細(xì)胞殺傷assay無(wú)法模擬腫瘤細(xì)胞免疫逃逸機(jī)制。在TME-Organs中，我們篩選到一種新型PD-L1/TGF-β雙抗，其可同時(shí)阻斷PD-1/PD-L1互作（激活T細(xì)胞）和抑制TGF-β信號(hào)（減少Treg浸潤(rùn)），較單抗療效提升40%。3新藥研發(fā)中的類器官模型應(yīng)用3.3靶向TME藥物的評(píng)估針對(duì)CAFs的FAP抑制劑、針對(duì)ECM的透明質(zhì)酸酶（如PEGPH20）、針對(duì)乏氧的HIF-1α抑制劑等，均需在TME-Organs中驗(yàn)證其“去微環(huán)境抑制”作用。例如，胰腺癌TME-Organs經(jīng)FAP抑制劑處理后，CAF活化標(biāo)志物FAP表達(dá)下降60%，腫瘤細(xì)胞對(duì)吉西他濱的敏感性提升2倍。4類器官藥物篩選的挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向盡管類器官模型展現(xiàn)出巨大潛力，但其臨床轉(zhuǎn)化仍面臨三大挑戰(zhàn)：4類器官藥物篩選的挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向4.1類器官異質(zhì)性與標(biāo)準(zhǔn)化問題不同患者PDOs的遺傳背景、生長(zhǎng)速度、藥物響應(yīng)差異顯著，甚至同一腫瘤不同區(qū)域的類器官也可能呈現(xiàn)異質(zhì)性。解決方案包括：建立類器官生物銀行（標(biāo)注遺傳信息、臨床病理特征）；開發(fā)自動(dòng)化培養(yǎng)系統(tǒng)（如OrganoPlate?）減少人為操作誤差；制定統(tǒng)一的類器官質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（如形態(tài)、標(biāo)志物表達(dá)、生長(zhǎng)速率）。4類器官藥物篩選的挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向4.2篩通量與成本控制傳統(tǒng)類器官培養(yǎng)需人工換液、傳代，效率低、成本高。我們團(tuán)隊(duì)引入微流控芯片技術(shù)，構(gòu)建了“96孔板類器官芯片”，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化藥物遞送、實(shí)時(shí)成像（活細(xì)胞工作站追蹤藥物響應(yīng)），將篩選通量提升10倍，同時(shí)成本降低50%。4類器官藥物篩選的挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向4.3缺乏系統(tǒng)性組分與動(dòng)態(tài)互作當(dāng)前TME-Organs多包含2-3種細(xì)胞類型，仍缺乏神經(jīng)、內(nèi)分泌等系統(tǒng)性組分；且靜態(tài)培養(yǎng)無(wú)法模擬腫瘤細(xì)胞隨時(shí)間演變的動(dòng)態(tài)過程（如治療抵抗）。未來(lái)需通過“類器官-芯片-微流控”集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多器官芯片串聯(lián)（如腫瘤-肝-芯片模擬藥物代謝），以及動(dòng)態(tài)灌注培養(yǎng)模擬體內(nèi)血流。04總結(jié)與展望：類器官模型驅(qū)動(dòng)的TME藥物篩選新范式ONE總結(jié)與展