Genes&Development | 基于肺泡类器官模拟肺腺癌不同遗传亚型的肿瘤发生模型
肺癌（Lung Cancer）是世界上最常见的癌症。也是全球范围内导致癌症相关死亡的主要原因。从病理和治疗角度，肺癌大致可以分为非小细胞肺癌( non-small cell lung cancer，NSCLC) 和小细胞肺癌( small cell lung cancer，SCLC) 两大类。占全部肺癌病例总数约85%的非小细胞肺癌，包括腺癌、鳞癌等组织学亚型。而肺腺癌（LUAD）是其中最常见的组织学亚型，占所有病例的40%。因此，针对肺腺癌（LUAD）发病机制进行研究探索，以及进行新兴免疫疗法等的深入挖掘，对于改善多数肺癌患者的生存期并提高其生活质量至关重要。
肺癌的分类及主要起源细胞
构建模拟体内真实肺腺癌发生发展的疾病模型是研究肺腺癌进展的分子机制重要基础。2022年9月，来自美国麻省理工学院的Santiago Naranjo团队，发表在Genes&Development题为Modeling diverse genetic subtypes of lung adenocarcinoma with a next-generation alveolar type 2 organoid platform的研究描述了一种基于肺腺癌（LUAD）发生的主要起源细胞——肺泡二型上皮细胞（AT2）构建的正常肺泡类器官通过基因编辑来实现模拟肺腺癌的不同基因分型肿瘤发生的疾病模型，并实现了首个具有免疫功能正常宿主的基于类器官的LUAD移植模型的建立，为肺腺癌的发生、发展及治疗提供了高效、便捷的研究模型。
为了建立基于类器官的肺腺癌发生模型，作者将来自转基因Sftpc-eGFP小鼠的新鲜解离的大量肺细胞悬液嵌入到Matrigel液滴中并覆盖F7NHCSA（FGF7，NOGGIN，HGF，CHIR99021，SB202190和A-83-01）培养基。Sftpc-eGFP转基因荧光标记表达典型AT2标记基因Sftpc的细胞。且在每次传代时，作者对类器官进行充分解离后进行流式分选以确定eGFP+的细胞比例。最初，作者观察到eGFP+细胞的强劲扩增，表明AT2状态的维持。然而，但随着代次的更迭，eGFP+细胞占总体细胞的比例不断降低，eGFP-细胞比例不断升高。基因集富集分析（GSEA）表明，此培养系统中的eGFP+和eGFP−细胞可能分别代表AT2和Basal细胞。通过转录数据分析，作者确定MHCII作为eGFP+-AT2的表面标记和EGFR作为eGFP−Basal的表面标记。通过定量两种表面蛋白的表达，不仅可使得在此系统中快速和定量评估AT2细胞状态保真度，还可以应用于在无Sftpc报告基因的情况下的AT2类器官培养系统中的鉴定。此外，作者还开发了一种优化方案能够稳健地扩增AT2细胞，获得可长期稳定维持的肺泡类器官（图1）。
图1. 优化后培养方法使得AT2类器官实现长期扩增
与维持 AT2 状态一致，免疫组织化学染色显示，这些类器官表达 SFTPC，但缺乏其他主要肺上皮细胞类型标志物的表达。同时，组成这些类器官的细胞密集地堆积着一种在原代AT2细胞中储存和分泌肺表面活性剂的层状体特殊结构（图2）。
图2. AT2类器官保留了体内对应物的关键表型
接下来，作者测试了这些类器官分化成肺泡1型细胞（AT1）状态的能力。作者比较了在正常（F7NHCS 3D）培养条件与2D培养环境下完整培养基（F7NHCS 2D）或分化培养基（10% FBS 2D）分别分化为AT1状态的能力。并进行了染色质转座酶可及性测序（sci-ATAC-seq），最终得出结论：2D培养环境促进其部分分化为AT1状态，而F7NHCS培养基促进AT2特征的保留，此外，补充10%FBS的培养基诱导其分化为更完全的AT1状态。
紧接着，作者利用上述优化后的AT2类器官模型来模拟临床相关的LUAD亚型。作者选用了TP53缺失型（P only）、KRAS突变及TP53缺失型（KP）、Eml4-Alk融合突变及TP53缺失型(EAP)以及Braf突变及TP53缺失型（BP）进行疾病建模。并进行了类器官致癌转化效率测试及致瘤潜力测试，将它们原位移植到同源的免疫原性小鼠中，KP、EAP和BP类器官在100%的受体小鼠中引起宏观肿瘤，并产生广泛的肿瘤负荷。这些肿瘤不仅均涵盖了肿瘤进展的全谱，包括增生（1级）、腺瘤（2级）、腺癌（3级）和浸润性腺癌（4级）。Nkx2.1和Hmga2肿瘤进展阶段的典型标志物等数据表明，此疾病模型概括了不同遗传亚型LUAD在疾病进展的多个阶段中的基本组织病理学和分子特征。
最后，作者进一步开发LUAD的免疫原性原位类器官移植模型。作者用含有荧光报告基因mScarlet的慢病毒转导转化的KP类器官，与来自鸡卵清蛋白（OVA257-264）的MHCI类限制性肽抗原融合，生成KP-mScarlet-SIINFEKL（KP-SIIN）类器官。随后将KP-SIIN类器官移植到博来霉素预处理的免疫功能正常的同系受体中。此外，作者通过定量测定肺浸润性CD8+ T细胞中抗原特异性细胞的比例，这现了肿瘤发生过程中随着时间的推移出现的免疫功能障碍的现象。总之，这些结果证实了这种类器官移植模型用于研究肿瘤-免疫相互作用和LUAD中潜在的T细胞功能障碍的巨大潜力（图3）。
图3. 追踪来自移植抗原表达的类器官在肿瘤中的肿瘤免疫相互作用
▍以上内容来自伯桢生物编辑部
撰文：王十一
编辑：李嘉欣
