患者衍生类器官在晚期结直肠癌患者功能精准医疗中的应用

文献解读

患者衍生类器官在晚期结直肠癌患者功能精准医疗中的应用

结直肠癌（CRC）约占所有癌症的10%，是癌症死亡的第二大常见原因，2020年全球新发CRC约190万例，死亡约90万例。由于CRC发病初期较为隐匿且难以与其他疾病辨别，因此约20%的患者初诊时已发展为转移性结直肠癌（mCRC）。此外，随病程发展，约50%的局限性CRC患者肿瘤会发生转移，从而进展为mCRC。在过去的几十年，随着5-氟尿嘧啶、奥沙利铂、伊立替康、表皮生长因子受体抑制剂和抗肿瘤药物联合化疗方案的批准，mCRC患者的治疗仅略有改善。虽然大多数患者可以从这些治疗中受益，但由于耐药性的出现，使患者几乎没有治疗选择，疾病控制的及时性仍然受限制。此外，患者对已批准的标准CRC化疗的反应差异也体现了患者间肿瘤的异质性。癌症的这一特点要求为每个特定的患者调整治疗策略。

分子个性化治疗（Molecular Personalized Medicine，MPM）试图通过采用基于蛋白质、RNA和基因组的方法检测肿瘤特异性特征来克服患者之间的肿瘤异质性。然而，泛实体瘤临床试验已证实仅有10-15%患者MPM获益。此外，MPM在预测化疗反应方面效果更为有限，因化疗的有效性与单个分子改变无关。功能精准医疗（Functional Precision Medicine，FPM）正是在这样的背景下应运而生，然而，由于缺乏足够的技术来快速、准确地在体外扩增肿瘤细胞，将FPM应用于实体肿瘤患者一直受到挑战。细胞系是较差的癌症替代物，而患者来源的异种移植模型对于治疗策略来说过于昂贵和耗时。最近的研究表明，被认为是开发体外肿瘤“替身最佳技术”的患者衍生类器官（Patient Derived Organoids，PDOs）有望为实体癌的FPM带来希望。但是通过PDOs药物测试来确定有效的治疗方法是否能提高临床患者的存活率，目前尚不清楚。为了在临床试验中验证这一假设，PDOs技术在常规临床实践中实施面临三个主要挑战：（1）可用于构建PDOs的肿瘤材料有限；（2）需测试大量的抗癌药物；（3）在患者疾病治疗需求时间内获得结果。

近日，来自巴黎萨克雷大学、古斯塔夫鲁西研究所等机构的研究者合作开展了一项基于PDOs的CRC患者FPM可行性研究，包括从活检肿瘤组织建立PDOs的方法、基于25种药物panel的测试（Chemogram），以及与临床实践限制相兼容的评分策略。相关研究成果刊登在Journal of Experimental & Clinical Cancer Research杂志上，题为“Implementing patient derived organoids in functional precision medicine for patients with advanced colorectal cancer”（患者衍生类器官在晚期结直肠癌患者功能精准医疗中的应用）。

研究者拟及时筛选25种已批准的抗癌药物，首先要建立一种利用少量肿瘤组织快速构建PDOs的方法。研究纳入了25例患者，大多数患者肿瘤发生转移，并至少接受过一种治疗方案。肿瘤组织样本分别通过手术和活检获取，新鲜组织需要在1h内收集并立即处理。图1为研究设计及PDOs的衍生情况。核心针活检样本需要收集多个，两个用于衍生类器官，其余用于组织学评估和肿瘤细胞分数评估。利用手术收集的大肿瘤标本优化PDOs的构建和扩增。最终，手术标本构建PDOs的成功率为63%，针刺活检标本为61.5%。根据患者的情况，从核心针活检之日起至造影结束整个过程的时间在4至10周之间，中位时间为6周。

图1 研究设计及PDOs的衍生情况

研究者评估了PDOs的组织学和分子谱。PDOs的组织学分级、分化模式和组织结构钧与来源患者肿瘤一致。全外显子组测序（WES）结果显示，研究队列中所有PDOs的拷贝数改变（CAN）与已发表在MSS CRC中的预期获得和缺失谱以及MSI肿瘤的基因组稳定性特征之间存在强大的相关性。总之，该研究证明PDOs是其来源肿瘤的忠实化身，表现出了与CRC主要改变一致的突变谱，尽管可能由于招募偏倚（如肝转移富集）而存在微小的差异。

研究者根据治疗药物的作用机制，设计了一个包含25种FDA批准药物的库，包括15种化疗药，6种激酶制剂和2种表观遗传药物。PDOs给药处理方法：PDOs消化后衍生的单细胞包埋于BME中，以750个细胞/孔的密度接种于96孔板中；48h后加入3种浓度的药物，作用5天；第8天采用ATP生物发光法测定药物作用PDOs的活力。该研究根据两个标准确定药物的作用浓度：（1）浓度必须与患者观察到的生理或亚生理药物浓度一致；（2）所选浓度必须涵盖每种药物的平均IC50。与平均值相比，给定PDO的剂量反应曲线越低，该PDO对药物越敏感。与队列相比，该方法确定了每个特定PDO对特定药物的反应。

图2 Chemogram校准

该研究还提出了一种评分系统（两步评分法）来对每个PDO药物敏感性进行排序。首先，通过确定每种药物的平均和特异性反应曲线下面积（AUC），计算了一个比率，即AUC得分（AUC score=AUC average/AUC PDO），以评估特定PDO与PDO集合的响应程度；第二步进行敏感性评分，表示PDO对三种药物浓度的直接反应。最后将AUC得分和敏感性得分相加，得到最终的药物敏感性分数。根据计算结果，本研究将得分＞1.9作为药物对特定类器官敏感的阈值。

基于上述药物浓度和评分系统，分析了整个PDO队列的药物反应。PDOs对25种药物的反应异质性程度是可变的。在不同的PDOs中，一些药物的反应差异明显，而另一些则要小得多。进一步对具有相似作用机制的药物与反应之间的相关性进行分析，发现3种微管靶向药物（紫杉醇、多西他赛和长春瑞滨）之间以及靶向治疗EGFR（拉帕替尼和吉非替尼）或铂盐（卡铂和奥沙利铂）之间具有强相关性。原发肿瘤构建的PDOs比来自转移瘤PDOs的敏感药物命中次数更高。研究者还将活检前患者治疗情况作为参数分析了药物反应，敏感药物的命中数和治疗次数之间呈负相关关系。

图3 整个PDOs集合的药物反应谱

图4 PDOs与匹配患者的临床一致性

本研究建立了一种利用核心针活检样本建立PDOs的检测方法，生成高质量的药物敏感性数据，以确定晚期CRC患者的治疗方案。研究结果证明PDOs的构建和扩增过程适合深入、快速的药理学分析，并能够与患者治疗管理兼容。因此，PDOs可以用于精准医疗，可以增加确有疗效治疗方案的选择机会。此外，研究还确定了明确的参数，以提高离体药物试验的标准化和通量，这也可能改善FPM的实施情况。