CRC药物研究的新突破！使用肿瘤类器官模型发现潜在治疗药物！

 

肿瘤类器官作为体外模型，在肿瘤药物研究中具有重要价值。与传统的2D培养肿瘤细胞系相比，3D培养的类器官更好地保留了癌症患者肿瘤的特征和内部异质性。基于类器官模型的药物筛选不仅可以发现新的肿瘤治疗药物，还可以研究不同突变类型细胞的药物敏感性差异。然而，目前药物筛选的评价标准主要基于细胞增殖和凋亡等表型特征，对药物的分子层面作用机制的研究还不充分。

今天小学社带来的这篇高达20分的研究论文，成功建立了基于人类结直肠癌类器官模型的体外药物筛选和药效评价平台，使用小分子药物体外筛选手段并经过免疫缺陷小鼠体内移植实验验证，得到多种具有潜在结直肠癌治疗价值的候选药物。这项研究提供了一种创新的药物发现方法，其思路清晰，实验严谨。一起来学习一下吧！

 

 

结直肠癌(CRC)是全球范围内最常见的恶性肿瘤之一，由于CRC的高度异质性，具有不同分子特征的患者对相同治疗策略的反应往往大相径庭。因此，探索新的治疗方案是亟待解决的问题。

本文中的研究团队成功创建了能够准确反映原始肿瘤的形态和分子异质性的人类结直肠癌（CRC）肿瘤衍生的类器官模型，开发了一种有机体药物筛选系统。通过药物测试以及对药物反应进行转录组分析，使用已建立的患者类器官异种移植（PDOX）系统对候选药物的抗癌活性进行体内验证，发现非瑞替尼、曲美替尼和硼替佐米具有有效的抗癌作用。研究提供了一种创新的药物发现方法，并为开发新的CRC临床治疗方法提供了宝贵的资源。

 

1. 长期培养的人类CRC类器官保留了亲本肿瘤的组织学特征和分子特征

该研究构建了8个人类CRC类器官，同时囊括了带有KRAS突变和不含KRAS突变的肿瘤类型。研究人员利用转录组、外显子组和DNA甲基化组测序技术，在多组学水平上对CRC类器官的分子特征进行解析、对肿瘤类器官与患者原位肿瘤的一致性进行评估。通过对比发现，这些类器官很好地保留了原位肿瘤组织的突变特征、重要信号通路的表达水平以及基因启动子区域的甲基化水平。

 

图1

2. 预测和筛选抑制 CRC 患者衍生类器官的再利用药物

为了能够筛选到毒副作用小且具有潜在的杀伤CRC细胞的药物，除了使用经过FDA批准的治疗其他疾病的药物库外，该研究利用已有数据库进行条件严格的药物预测，并且使用CRC临床常用药5-氟尿嘧啶（5-Fluorouracil）和瑞戈非尼（Regorafenib）作为阳性对照。筛选结果显示，在包含预测药物的共335种药物中，34种药物具有潜在杀伤CRC类器官的能力（图2）。

 

图2

3. 患者来源的类器官表现出强烈的药物反应异质性

为了进一步确认筛选到的34种药物对不同患者来源的CRC类器官的杀伤效果，该研究在8个CRC类器官系中对药物效果进行测试（图3）。研究结果发现，不同患者来源的类器官对34种候选药物的敏感性不同，临床上常用的5-氟尿嘧啶和瑞戈非尼两种结直肠癌治疗药物也显示出对不同的类器官系的敏感性不同，说明不同患者之间的药物响应差别大，这说明使用类器官筛选药物进而帮助指导患者用药的重要性。

 

图3

4. 根据转录组特征将药物反应特征分为五种代表性模式

为了排除药物反应异质性的干扰，研究整合了所有转录组数据，从肿瘤相关信号通路干扰、CRC特征基因表达、耐药相关基因表达和细胞分化程度等方面探讨药物诱导的变化。基因集富集分析发现，几乎所有药物都能抑制肿瘤类器官的细胞活力，但不同药物干扰的细胞信号通路不同，表明不同药物的作用方式不同。结合肠道上皮细胞标志基因的表达水平高低，研究人员确定了五种不同的药物反应特征模式（图4）。

• 模式1：促分化类，不同肠道细胞类型的标志基因的表达相对其他类群较高

• 模式2：抑生长类，显著抑制生长因子反应和MAPK信号通路的调节

• 模式3：抑代谢类，与代谢相关通路如糖酵解通路的表达被抑制

• 模式4：促免疫响应类，免疫反应和应激反应相关通路被激活

• 模式5：抑细胞周期类，细胞周期和DNA复制功能相关的基因表达下调

此外，研究人员从候选药物中随机选择10种，并分别以高、中、低浓度治疗CRC类器官，根据结果进行转录组测序分析，发现药物反应特征具有剂量依赖性。

 

图4

5. 验证候选药物在体内的肿瘤抑制效果

为了进一步探究候选药物在体内环境中的表现情况，该研究构建了基于类器官的小鼠异种移植模型（PDOX）。该研究在每个药物反应特征模式中各选取了1到2种细胞杀伤效果强、临床使用毒性小的药物（共7个）在PDOX模型上进行体内抑瘤实验，发现这些药物能显著减轻肿瘤重量并降低相关信号通路的活性。

此外，除了临床常用药物5氟尿嘧啶（5-Fluorouracil），曲美替尼（Trametinib）、硼替佐米（Bortezomib）和菲卓替尼（Fedratinib）的抑制肿瘤的效果明显（图5）。以上结果表明，曲美替尼、硼替佐米和菲卓替尼可能为治疗CRC的潜在药物。

 

图5

6. 体外CRC类器官与体内PDOX的药物反应比较

为了排除患者间异质性的影响，本研究额外比较了体外和体内系统（类器官模型和成对PDOX模型）在药物反应上的差异，发现体内和体外系统中药物处理的细胞的转录组变化不一致，且它们之间受干扰通路的表达不同。同时，体外类器官和体内PDOX模型仅有约10%的基因表达重叠，它们之间的癌症相关通路表达一致性也不同。研究团队推测这可能是因为体内剂量不足，导致信号通路和基因表达的调节受到影响。研究团队提取了在CRC类器官和PDOX模型中强烈上调或下调的前250个基因，发现体内和体外模型之间的不同的转录组特征不能完全由剂量解释，这两个系统之间固有的生物学差异需要进一步研究（图6）。

 

图6

7. 类器官系统与药物预测相结合有助于发现潜在的药物组合

该研究通过药物预测方法和基于类器官的药物筛选系统，探索了联合用药治疗CRC的应用价值。结果发现，菲达替尼对 CRC 类器官具有明显的抑制作用，并且与硼替佐米联合应用可能具有更好的效果。

为了评估联合用药的效果, 研究人员首先在患者来源类器官模型上进行了联合用药浓度的梯度设定，结果表明联合用药组的抑瘤效果优于单药组, 这表明联合用药可能具有更强的抑瘤效果。

随后，研究人员在PDOX模型中验证联合用药的协同效应，结果分析进一步验证了药物的靶点和参与癌症相关通路的基因表达变化。这些结果表明，类器官模型系统结合药物预测有助于发现潜在的联合用药治疗方法（图7）。

 

图7

 

综上，该研究建立了基于人类肿瘤类器官、并且结合实验筛选和计算预测的药物筛选方法，成功筛选验证得到治疗结直肠癌的潜在候选药物。同时利用转录组测序技术揭示了候选药物的作用机制和作用模式，为结直肠癌治疗药物的发现提供了重要的数据支持，该研究对结直肠癌的临床治疗具有潜在应用价值。

参考文献：

Mao Y, Wang W, Yang J, Zhou X, Lu Y, Gao J, Wang X, Wen L, Fu W, Tang F. Drug repurposing screening and mechanism analysis based on human colorectal cancer organoids. Protein Cell. 2023 Jun 22:pwad038. doi: 10.1093/procel/pwad038. Epub ahead of print. PMID: 37345888.

来源：类器官学社