Cell Stem Cell：肿瘤类器官用于肉瘤药物筛选效果显著

肉瘤是一类起源于间叶组织的恶性肿瘤，包括骨肉瘤、软骨肉瘤、平滑肌肉瘤等多种亚型。肉瘤的罕见性和异质性一直是治疗上的巨大挑战，传统治疗方法往往效果有限。虽然个性化精准医疗是一个解决思路，但每个患者的肿瘤特征都不一样，如何快速、准确地评估患肉瘤的个体对药物的敏感性呢？

近日，来自加州大学洛杉矶分校 的研究团队在 Cell Stem Cell 上发表题为 The landscape of drug sensitivity and resistance in sarcoma 的文章，通过培养患者源性肿瘤类器官（Patient-Derived Tumor Organoids, PDTOs），对110多个肉瘤样本进行了药物敏感性筛查，揭示了肉瘤对多种药物的敏感性和耐药性模式，证实类器官对治疗的反应与患者的治疗结果一致。

类器官这种新兴的研究方法是通过在体外（in vitro）培养肿瘤细胞或与之相关的细胞，形成的三维细胞结构可模拟患癌器官的复杂性。而患者源性肿瘤类器官是指最初培养的细胞取自患者活体，这能极大程度上保留患者体内原始肿瘤的关键组织学和分子特征，如特定的基因扩增、分子信号通路以及肿瘤微环境等，利于研究人员筛选出真正有效的药物。

2018年2月至2022年5月期间，研究团队收集了来自126名患者（其中40岁及以上约占1/2，0-14岁约占1/6）的194个肉瘤样本，涵盖了24种不同的肉瘤亚型。他们利用组织工程技术从这些样本中培养出PDTOs，并利用其进行了高通量药物筛选。研究测试了超过400种化疗药物和靶向药物（按样本数平均117种，范围6-423种），以评估肉瘤对不同药物的敏感性。

通过对比类器官和原发肿瘤的组织病理学特征证实，多种肿瘤的主要特征在类器官上得以维持。例如尤因肉瘤中的小圆形蓝色细胞、脊索瘤中含圆形核的空泡细胞、横纹肌肉瘤（RMS）、某些类型的骨肉瘤以及恶性外周神经鞘瘤（MPNSTs）中的梭形细胞等。（图 2A）

RNA 测序（RNA - seq）分析表明，基因组不同的肉瘤与其各自的类器官之间分子特征一致（图 2B 和 2C），32 对类器官和原发肿瘤的斯皮尔曼等级系数始终高于 0.8（中位数 = 0.87, 数值越接近1代表两者变化的相关性/一致性越高）。数据显示，通过标准化类器官培养方法，PDTOs 既保留了原始肉瘤亚型的组织学和分子特征，又表现出不同的生长动态，保留了患者个体的特异性。

图2.  肉瘤类器官在培养中生长并重现亲本肿瘤的关键形态特征 (A) 用苏木精 - 伊红（H&E）染色的肉瘤及其相应类器官的代表性图像（第 1 列和第 2 列）。培养第 1 天（第 3 列）和第 5 天相同肉瘤细胞的代表性明场图像（第 4 列）。通过使用基于机器学习的流程对明场图像中的聚焦类器官进行分割，并将类器官覆盖的横截面积与培养第 1 天测量的面积进行归一化，从而随时间跟踪生长情况。(B) 所选肉瘤样本的基因组和转录组特征。样本名称下方的深色框是比较 RNA 测序的肿瘤和类器官样本中 RNA 转录本频率的斯皮尔曼等级相关系数。相关性排除了在任一样本中表达低于每百万 0.1 转录本的基因。下表显示了使用丹娜 - 法伯癌症研究所 OncoPanel 3.1 版对肿瘤样本进行基因组特征分析的结果。热图中的颜色表示拷贝数变异（CNV）、单核苷酸变异（SNV）和结构变异（SV）的类型。图上叠加的 “o” 或 “x” 所表示的层级代表分类尺度。层级 1 代表具有 “已确立的已发表证据” 的诊断或预后价值的改变，层级 2 改变 “可能具有临床实用性”，层级 3 改变具有 “不确定的临床实用性”。(C) 比较从患者 SARC0139 采集的两个样本的肿瘤和类器官的 RNA 转录本的斯皮尔曼等级相关系数。表达低于每百万 0.1 转录本的基因被排除在分析之外。

在药物敏感性和耐药性实验中，大多数标本（74/92，80.4%）对一种或多种测试方案至少有一次显著反应（显著反应定义为在存活率得分中排名前 5%）。3 个样本（3.3%）对四分之一或更多的测试化合物表现出这种高水平的敏感性，说明可能存在广泛且非特异性的化学敏感性。相比之下，18 个样本（19.6%）对任何药物都没有显著反应。这些样本通常是针对较小的药物库进行测试的（平均每个样本测试 54 种药物方案，而至少有一次显著反应的样本平均测试了 116 种药物方案），这表明较小规模的筛选可能还不足以确定有效的方案。

研究团队还探索了联合疗法的有效性，SARC0095 是一种CIC重排肉瘤，对吉西他滨和多西他赛表现出显著的敏感性（存活率得分：36，绿色箭头）。横纹肌肉瘤（RMS）的样本SARC0133 对长春瑞滨和莫塞替诺司他的联合用药有出色的反应（图 3A，品红色箭头），相比其他三个 RMS 样本具有更高的敏感性（图 3B）。且PDTOs的药物敏感性测试结果与患者的临床特征和治疗效果高度相关，突出了类器官在功能性精准医疗应用中的潜力。

图3. 高通量药物筛选实验中，肉瘤类器官对治疗的敏感性显示出一系列反应。（A）1微米下类器官对选定药物的敏感性热图。活力评分代表每个类器官模型的活力，红色表示对治疗的敏感性高于平均水平。每个热图下方的彩色条代表 Z 分数、病变类型和每个样本的诊断。* 表示传代的样本，z 表示活检样本。具有相同 SARC 编号的样本来自同一患者。（B）选定的治疗方案下类器官活力的剂量 - 反应曲线。（C）敏感性排序图，比较来自所示诊断（左）的类器官与泛肉瘤样本（右）的反应。样本从低残留活力百分位数（响应最强的样本）到高残留活力百分位数（响应最弱的样本）进行排序。主要药物靶点在每种药物名称旁边标明。每个点的颜色代表单个样本的诊断。

此外，研究分析了药物靶向治疗的生物学途径，科学家观察到源自同一患者的样本倾向于聚集在一起。如图5，对于 SARC0103、SARC0078、SARC0075、SARC0139 和 SARC0053 来说，这种模式都成立，表明不管肿瘤类型、肿瘤位置、手术时间或对特定药物的反应如何不同，源自同一患者的肉瘤在分子途径上存在大体一致的靶向位点。

图5. 药物敏感性图谱揭示易受攻击的生物学途径。热图显示了来自 WikiPathways 的每个筛选样本对药物靶向最敏感的分子途径。药物靶向最有效的途径排名最高（红色）。不透明的方块（图中为紫色）表示在药物组合中超过 50% 的组成基因被靶向的途径。白色方块表示在筛选实验中该途径没有被任何药物靶向。

至于药物的临床应用情况，研究表示，由于患者人群少且疾病高度异质，确定的绝大多数（92%）药物治疗方案未被纳入针对骨肉瘤和软组织肉瘤的 NCCN 指南中。只有5%的这些方案被 NCCN 列为其相应组织学亚型的首选方案（例如用于骨肉瘤的依托泊苷、顺铂、索拉非尼和瑞戈非尼，用于横纹肌肉瘤的环磷酰胺，以及用于骨肉瘤和尤因肉瘤的阿霉素），另外3%的药物被推荐用于其各自的诊断（包括用于骨肉瘤的卡博替尼、吉西他滨、多西他赛和依维莫司，以及用于横纹肌肉瘤的阿霉素和长春瑞滨）。

尽管研究中的一些评估方法存在局限性，但科学家通过患者源性肿瘤类器官，在短时间内评估了肉瘤样本对多种药物的敏感性，为我们揭示了肉瘤药物敏感性及抗药性的复杂图景及关键信号通路。研究中，大多数样本都找到了至少一种有效的治疗方案，尽管有些尚未被纳入NCCN 指南，但随着类器官的潜力被验证，相信不久就可能会有肉瘤治疗的新方案进入临床，患者也能得到更加精准的治疗。