（一）“类器官”与癌症的“精准医疗”
癌症的精准医疗需要两大关键性突破：一是通过大量癌症病人基因异常数据的分析，筛选出对药物治疗敏感的药物靶点；二是通过分析大量的能够维持癌细胞体内特征的体外模型，验证药物治疗敏感性靶点。前者随着测序技术的出现，已经成为现实。后者随着癌症体外模型，尤其是最新的“类器官（organoids）”的发展，也将得以实现。
在过去十年，干细胞研究领域取得的关键进展之一就是类器官的发展。类器官属于三维（3D）细胞培养物，与对应的器官拥有类似的空间组织，包含其代表器官的一些关键特性并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。
虽然类器官技术依然处于起步阶段，但是作为一种工具，类器官培养可实现对现有2D培养方法和动物模型系统的互补，类器官技术在发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生机制、精准医疗以及药物毒性和药效试验等领域发展潜力巨大。
图1.类器官种类及可能的应用方向
（二）Science重磅推出“类器官”研究成果
2月23日发表在《Science》杂志上的最新研究报道了科学家们可以在实验室培育出源自人类肿瘤的类器官（Organoids），用于测试癌症药物，从而预测患者对药物的反应。
图2. Science杂志文章。
（三）Science证实：“类器官”可准确预测癌症药物疗效
此文中的患者衍生的类器官（PDOs），是一种微型的三维细胞培养模型，源自患者原发性肿瘤，并在实验室中进行培养。
图3. 来源于患者的类器官。
近来，PDOs越来越多地被用作癌症的临床前模型，然而关于它们在临床中预测治疗反应能力的数据却很少之又少。因此，论文第一作者、伦敦癌症研究所分子病理学部门的Georgios Vlachogiannis及其同事从患有转移性结直肠癌和胃肠道癌的患者身上生成了PDOs，通过PDOs的表型和基因型分析显示它们与原发性肿瘤的高度相似。因此，PDOs可以补充现有的方法来确定癌症的敏感性从而改善治疗方法。研究人员对比了PDOs和临床实验中患者对抗癌药物的反应。摘取71例结直肠癌患者的生物标本，并在实验室里培养出PDOs，用患者得到的临床抗癌药物作用于此PDOs进行分析，分析结果显示：如果药物对PDOs有效，则88%对患者有效；如果药物对PDOs无效，则100%对患者无效。PDOs表现出100%的敏感性，93%的特异性，88%的阳性预测值和100%的阴性预测值。Vlachogiannis的团队表示，下一步希望开发肿瘤微环境中的体外模型，并评估微环境因素是如何影响类器官对各种治疗的反应。
图4. 肠道组织的类器官。
（四）“类器官”在科研和临床上的价值和优势
以前科学家们也试图预测患者对治疗的反应，包括制造 “癌症替身”（多是在小鼠体内培养人类癌症细胞，如PDX模型）。但是要想尽快得到答案以便指导治疗，一直是个挑战，因为小鼠模型通常需要六到八个月才能得出结果。而有了“类器官”这个“新武器”，就可以在2个月内得到结果，甚至可以变得更快。类器官可以避免患者遭受无效抗癌药物的可怕的副作用。
伦敦癌症研究所的Nicola Valeri博士表示：通过类器官研究，我们第一次证实其不仅可以模拟癌症的生物学特性，而且可以反映临床结果。在此研究中有1例患者通过基因测序预测了肿瘤对药物会有阳性反应，但在类器官水平和临床水平治疗都失败了。因此类器官可以与传统基因检测方法合用，起到更好的预测效果。未来可以用于在临床试用之前测试潜在的靶向疗法，或据此挑选适合参加临床试验的患者，也可以使用患者的类器官来筛选癌症的候选治疗方案。
（五）“类器官”培养面临巨大挑战
类器官的构建很大程度上依赖于其悬浮的培养基，如基质胶（matrigel）。类器官本身变化非常迅速——在不同的时间段会有不同的适合它的培养基。可以尝试通过基质胶提供细胞外基质信号，以便使不同的细胞可以在不同时间或不同程度下获得不同的化学物质，促进其生长。除了特殊的培养基，培养的环境控制也需要非常严格。常规培养箱因为缺乏精密可靠的培养条件控制，并且无法提供符合生理条件的培养环境，很难大规模培养原代细胞，所以也很难使来源自原发肿瘤的类器官存活并保持活性，更不用说使之体积增加。与2D培养的类器官相比，3D培养的类器官更具有生理学意义，也更难培养，增加了实验室培养类器官的挑战性。
（六）曙光乍现：Avatar可提供“类器官”培养的完整解决方案
伦敦癌症研究所的科学家就是用美国Xcell Biosciences公司的Avatar“个体化细胞精准控制系统”来培育“类器官”的：
图5. 用Avatar培养前列腺肿瘤类器官（右图），培养48hr时，细胞活性与传统培养箱培养（左图）相比，增加50%。
图6. 在Avatar中培养2周后的前列腺肿瘤类器官（左图：悬浮的类器官；右图：贴壁的类器官）。Avatar既可以2D培养细胞，也可以3D培养细胞。
图7.传统类器官的培养需要耗费数个月。而用Avatar进行培养时，前列腺肿瘤类器官稳定生长并有效传代，仅仅在10天内就得到足够的类器官以建立PDX模型。
哈佛大学的Dr.Rakesh Jain与约翰霍普金斯大学的Dr.Greg Semenza的长期研究表明：人体各部位组织的细胞基本都处于低氧高压的微环境。同时也发现细胞在不同氧气与压力的调控下，会在代谢、基因与蛋白水平上有着不同程度的改变，进而影响细胞在形态与行为上的表现。微环境的调控是控制细胞的手段。因为普通培养箱无法调节细胞受到的压力，所以无法精确模拟细胞在体内的微环境，也就无法使来源于原发肿瘤的类器官正常生长并在后续实验中体现体内生理活性。
图8. 人体内的不同的微环境。
美国Xcell Biosciences公司的Avatar“个体化细胞精准控制系统”通过其革命性的概念和平台设计，使研究者能够精准调控细胞生长的微环境，通过调控“氧气”、“压力”、“温度”、“二氧化碳”等参数，结合特制的符合生理所需的“培养基”，提供个性化的培养条件，通过模拟细胞在体内的微环境，让原代来源的免疫细胞、干细胞、肿瘤细胞、类器官等很难成功培养的珍贵细胞得到稳定培养，并保持其于体内时的特性，使细胞及类器官在后续研究中表现出极佳的体内相关性。相较于传统培养方式，Avatar培养至少有8倍的数量提升或时间的缩短。
（七）Avatar的成功法则
（1）样本前处理：温和地分离肿瘤细胞或目标细胞，确保活性；
（2）无血清培养基：专门为原代细胞与免疫细胞优化的培养基；
（3）模拟微环境：可精确模拟各个癌症肿瘤在体内的氧气与压力微环境，为来源于癌症肿瘤的原代细胞和类器官提供与体内微环境一致的培养条件；
（4）方案大数据库：集结全球用户的成功经验，加速用户的优化速度。
图9.Avatar系统及配套培养基
除了本文所述“类器官”的培养，Avatar的其他应用包括：免疫治疗、原代细胞研究及应用、药物开发及筛选、干细胞培养及定向诱导、基因编辑及转染、循环肿瘤细胞培养等。更多应用介绍，敬请期待！
参考文献：
（1） James Gallagher, ‘Mini-tumours’ created to battle cancer. BBC News, 22 February 2018.
（2） 忐忑，“新的“癌症替身”！Science：肿瘤类器官可预测患者对药物的反应”，生物探索，2018年2月24日
（3） Vlachogiannis G., et.al.‘Patient-derived organoids model treatment response of metastatic gastrointestinal cancers’,Science, Vol.359 Issue 6378, pp.920-926.
（4） Katherine Ellen Foley. (2017) Organoids: a better in vitro model. Nature Methods, 14 (1038): 559-562.
（5） 生命奥秘，“培育类器官”，BIOON News，2015年8月14日。
