Nature | 构建人肿瘤来源的类器官生物样本库

撰文|章台柳

通过对数百种癌细胞系的多组学特征分析及其在药理学和遗传学筛选中的扰动，目前已经构建了癌症依赖性参考图谱，来指导精准抗癌药物的研发。然而，目前广泛使用的约1 000 种人类癌细胞系存在诸多局限性，包括：某些癌症亚型的代表性存在偏差或缺失、缺乏与患者匹配的胚系遗传数据以准确识别体细胞变异，以及缺乏相关的患者特征或临床数据。此外，大多数细胞系在体外培养过程中的适应性改变尚不明确，且缺乏可用于对比的参考性患者匹配肿瘤样本，这些因素共同阻碍了它们在临床前研究和发现中的应用。患者来源的异种移植模型（PDX）虽然能保留部分肿瘤微环境特征，但需要专门的设施和大量资源，限制了更广泛的应用。

肿瘤类器官是利用细胞外基质中的微环境因子，从患者组织培养而来的三维培养物。与传统细胞系相比，能够捕获肿瘤间的异质性，并能更好地反映肿瘤的组织学、遗传学和功能特征。然而，科学、技术和实际操作层面的限制阻碍了其广泛应用。现有的生物样本库规模相对较小（两个最大的学术机构样本库分别包含115个和96个模型），限制了肿瘤多样性的代表性，因此无法充分反映肿瘤的异质性。许多样本库缺乏全面的基因组注释，仅有有限或部分的分子特征分析，这限制了其与临床数据的关联以及对亲本肿瘤保真度的系统评估。部分类器官是不可再生或短期的培养物，不适合进行生物样本库保藏，还有些则受到严格的伦理审批限制，难以获取。最后，考虑到肿瘤类器官在培养上的复杂性远高于细胞系，一个大型且异质性高的肿瘤类器官样本库能否支持对癌症脆弱性的系统性映射，目前尚不清楚。

近 日 ，来自 英国维康桑格研究所的M. J. Garnett团队 在 Nature 杂 志上发表文章 A tumour-derived organoid biobank maps cancer gene dependencies ，直接从结直肠癌、食管癌、卵巢癌、胰腺癌和胃癌中培养并鉴定了256个具有临床注释信息的肿瘤类器官，将其作为可再生且遗传稳定的模型。对每个模型及其匹配的患者肿瘤样本进行全面鉴定，包括全基因组和转录组测序，并在162个类器官中进行全基因组CRISPR-Cas9筛选，绘制了基因依赖性图谱。整合分析揭示常见和罕见肿瘤亚型中基因依赖性的基因组和临床标志物，鉴定了类器官特异性的必需基因，并揭示成对的治疗前和治疗后样本中，随肿瘤演变而产生的可靶向干预的脆弱性。在结直肠癌中，对EGFR-RAS-MAPK信号轴的功能和药理学研究揭示了KRAS不同变异等位基因的差异化作用。这一公开的公共资源提供患者来源类器官中基因依赖性的系统性图谱，丰富模型多样性并加深机制层面的认知，从而推动精准肿瘤学的发展。

为了建立类器官生物样本库，研究人员在伯明翰、剑桥、格拉斯哥、伦敦和南安普顿建立了由五个临床中心组成的网络，以获取患者的临床数据，并通过手术切除或活检获取肿瘤组织样本，同时获取一个胚系参考正常样本。为了实现模型的广泛共享，研究人员获得了相关知情同意。从2016年5月至2023年11月，新鲜的肿瘤样本被送往威康桑格研究所，在一个集中的设施中采用标准化操作流程进行类器官衍生，以尽量减少变异。由于新冠疫情期间停工，少数衍生使用了速冻组织。从同一肿瘤标本中获取平行样本用于全基因组测序（WGS），以便后续对模型的保真度进行分析。研究人员重点关注了五种临床需求尚未得到满足的癌症类型，这些类型均已建立成熟的类器官衍生方案。按接收到的样本数量降序排列为：结直肠腺癌（COAD/READ）、食管腺癌（ESCA）、卵巢癌（OV）、胰腺腺癌（PAAD）和胃腺癌（STAD）。对衍生成功应用了严格的标准，要求细胞扩增至超过2500万个，以创建一个包含25个冻存管的样本库，且必须具备冻存和复苏培养类器官的能力（冻融质量控制），并确认其单核苷酸多态性（SNPs）与原始肿瘤匹配。在样本库保藏和冻融质量控制期间，会准备类器官样本用于分子特征分析。

总体而言，在来自878名独特供者的907份样本中，成功建立了256个类器官培养物，总体成功率为28%。样本库中的类器官数量超过了常用的结直肠癌（COAD/READ）细胞系数量（132个，而癌症依赖性图谱中为90个），并且包含了目前缺乏代表性模型的食管癌（ESCA）和卵巢癌（OV）等癌种。样本库中还包含了罕见的管状绒毛状腺瘤、结肠管状腺瘤，以及卵巢透明细胞癌和混合型细胞癌亚型。样本库建立后，93%的培养物通过了冻融质量控制步骤，证明了这种生成可再生培养物方案的有效性。因此，建立了一个涵盖五种癌症类型的、最广泛的长期可再生患者来源三维类器官生物样本库之一。这些类器官正通过非营利和商业机构进行分发，以实现开放、可持续的社区访问。所有衍生模型、其唯一标识符以及分子和功能特征的清单已提供。

样本库的优势之一是为每个模型获取了患者和临床注释信息——包括疾病分期、风险因素和既往治疗史，这增强了该样本库的临床相关性，有助于合理选择模型，并支持与外部临床数据集的整合，从而实现对数据的深度解读。利用全基因组测序（WGS）对类器官及其匹配的患者肿瘤样本进行全面的基因组特征分析。所有256个类器官均可获取WGS数据，同时还包括相应的正常组织样本作为胚系参考，从而实现了对体细胞变异的准确识别，克服了大多数二维细胞系的一大主要局限。同时有171个类器官保留了足够的肿瘤组织用于测序，使得类器官与肿瘤之间的直接比较成为可能。综合分析显示，类器官忠实地重现了其所衍生肿瘤的广泛基因组特征，支持了它们在疾病建模中的相关性。由于类器官具有更高的肿瘤细胞丰度，且在培养过程中因克隆筛选可能导致异质性降低，使得在类器官培养物中检测基因组改变的敏感性高于在肿瘤组织中的敏感性。按肿瘤类型详细检查类器官的基因组特征，发现类器官可以重现出肿瘤驱动基因图谱，并反映出肿瘤间的异质性。并且，类器官在长达六个月的培养和多轮冻融循环中保持了稳定的倍性、突变图谱和转录谱。长期培养导致的遗传漂变略大于反复冻融循环，但仍较轻微。即类器官在长时间跨度上大体上保持了基因组完整性，支持了将其作为稳健且可再生的肿瘤模型的使用。

来自药理学和遗传学筛选的依赖性图谱（包括癌症依赖性图谱，DepMap）推动了靶点发现和患者分层研究的进展。然而，现有的细胞模型无法涵盖完整的肿瘤多样性（例如在食管腺癌中），且肿瘤间的异质性限制了基因型与依赖性之间的关联分析。此外，高突变负荷以及缺乏匹配的胚系数据，进一步增加了将依赖性与基因组特征联系起来的难度。在类器官中进行系统性的依赖性映射有望弥补这些空白。然而，在三维（3D）培养中进行CRISPR筛选的研究仍然有限，因为在多种组织学类型的3D培养中进行筛选的复杂性限制了其规模。研究人员使用5 % 基质胶提取物- 2 悬浮培养对类器官进行筛选，这种培养方式在保留遗传和表型稳定性的同时简化了操作。筛选使用了最小化全基因组CRISPR-Cas9文库（MinLibCas9），并针对部分模型同时使用了规模更大的Human CRISPR Library Yusa v.1.1文库。在来自5种肿瘤类型的162个独特类器官培养物上完成了通过质量控制的CRISPR-Cas9筛选（85个结直肠腺癌（COAD/READ），超过了DepMap中筛选的63个细胞系；59个食管腺癌（ESCA）；11个卵巢癌（OV）；4个胰腺腺癌（PAAD）和3个胃腺癌（STAD）；总体成功率为85%）。应用ADaM模型来定义类器官中的核心适应性基因，并将其与细胞系中的核心适应性基因进行比较。鉴定出 654 个共享的核心适应性基因，以及 97 个类器官特有的核心适应性基因。基因集富集分析（ GSEA ）显示，这些基因与类固醇生物合成存在显著关联，这可能与胆固醇在调节肠道干细胞和肿瘤发生中的作用有关。

此外，通过对治疗前和治疗后的患者匹配样本进行类器官衍生和分析， 捕捉到治疗驱动的肿瘤演化所产生的功能影响，筛选出癌症驱动事件，并赋予差异性的依赖性。这些依赖性可以通过CRISPR筛选被揭示，并成为药物重定位（老药新用）的候选靶点。

总的来说，该研究构建了一个具有高度临床信息注释且可再生的肿瘤类器官生物样本库，并将其作为开放的社区资源，同时证明了该样本库在绘制癌症依赖性图谱来指导精准抗癌药物研发方面的实用性。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10830-y

制版人： 十一

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