结直肠癌（Colorectal cancer, CRC）是全世界第三大常见的恶性肿瘤，是全球癌症相关死亡的第二大原因。由于 CRC 患者之间的个体差异，临床常见治疗药物对病人的治疗效果也不尽相同。因此，建立一个更具仿真性的体外模型系统对于 CRC 相关研究和药物发现至关重要。患者衍生的类器官作为一种新兴的体外微观生理系统，在生物医学研究、药物发现和精准医疗方面显示出巨大的潜力。目前，大多数肿瘤类器官培养条件都是从正常组织来源的类器官培养系统衍生而来，然而最近的一些研究发现肿瘤类器官在接近对应正常组织培养条件下会出现生长受限、生物标志物表达波动以及正常细胞污染等问题，表明这些系统无法准确复制肿瘤在体内的实际生长条件。在肿瘤的演化过程中，成体干细胞在癌相关基因的驱动下获得生长优势，并趋化其他微环境细胞如间质、血管和免疫细胞等，引发组织微环境的改变，这种微环境的动态变化对肿瘤干细胞的生长、分化同样具有调控作用。对体内真实肿瘤微环境的解析，将有助于我们发现调控肿瘤细胞生长的关键因子，帮助我们在体外培养过程中还原真实体内环境，培养出与来源组织更加一致的类器官。
2024年6月24日，bat365在线平台类器官研究院院长赵冰教授、伯桢生物倪超合作团队在Life Medicine杂志在线发表了题为“Establishment of novel colorectal cancer organoid model based on tumor microenvironment analysis”的研究论文，他们通过单细胞数据库和原位鉴定等手段解析了肿瘤微环境中调控肿瘤细胞生长的关键因素，并基于此构建了可真实模拟体内肿瘤微环境的结直肠癌类器官培养新体系。
研究人员首先分析了结直肠癌及癌旁组织的单细胞数据库，对比了在肿瘤微环境及正常组织中细胞因子和配体的表达差异，发现常规用来培养类器官的EGF、HGF、IGF和 FGF等促细胞分裂生长因子在肿瘤及正常组织中表达水平均较低，Noggin在肿瘤中几乎不表达。BMP 信号传导拮抗剂 Gremlin 1及一种常见的免疫因子IL-6在肿瘤组织中表达显著增高，针对组织的原位杂交和免疫荧光染色实验也证实了这一点（图1-A-C-E）。为了观察Gremlin 1和IL-6对CRC的作用，研究人员设计了6种不同的CRC类器官培养基，分别命名为RIG（包含RSPO1、IL-6和 Gremlin 1），RNE（包含RSPO1、Noggin和EGF），RI（包含RSPO1和 IL-6），RG（包含RSPO1 和Gremlin 1），IG（包含 IL-6 和Gremlin 1）以及R（包含 RSPO1 ），测试了5例病人组织来源的结直肠癌类器官。他们发现RNE和RIG组均能维持类器官生长至10代以上，类器官生长迅速，直径可达到150 μm以上。在RI和RG组，类器官传至第6代即会出现死亡，在IG组类器官传一代后即出现生长停滞（图1-G）。以上结果表明IL-6和Gremlin 1可显著促进结直肠癌类器官生长。
图1.通过CRC微环境分析确定关键生长因子。
为了进一步检测RIG是否可作为结直肠癌类器官特异性培养基，研究人员测试了正常结直肠类器官在RIG中的培养效果。他们发现RIG不能维持人或小鼠结肠类器官的生长（即使额外添加Wnt3a，RIG组也不能维持人结肠类器官的生长）（图2-A-B）。此外，研究人员还分别对培养在RIG和RNE中的结直肠癌类器官进行转录组测序。通过与TCGA数据库进行对比，他们发现RIG培养出的类器官转录组特征与肿瘤组织的相关性更强，其中与肿瘤侵袭及转移的基因在RIG组表达更高（图2-E-F），ATAC-seq分析显示部分与侵袭和迁移相关的基因在RIG组峰值更高（图2-I），以上结果说明RIG培养基模拟了CRC肿瘤微环境并维持了肿瘤侵袭相关特性。
图2.RIG培养的CRC类器官的转录组学与肿瘤DEGs相关。
综上，该研究解析了在肿瘤微环境中高表达的IL-6及Gremlin 1可促进肿瘤干细胞的生长。基于此优化的结直肠癌类器官培养新体系，可模拟体内真实结直肠癌微环境，维持类器官快速生长，并可有效去除培养过程中正常结直肠类器官的夹杂，有助于提高药物检测结果的准确性，为药物研发和精准医疗提供可靠的指导。该研究还将为发掘其他肿瘤细胞生长关键调控因子及为类器官培养复刻真实体内环境带来了新思路。
bat365在线平台类器官研究院院长赵冰教授为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金，云南省重点研发计划，江西省重点研发计划，山东省自然科学基金项目等经费支持。
作者简介
赵冰
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赵冰，bat365在线平台类器官研究院院长，国家优青、国家重点研发计划“干细胞及转化研究”首席科学家（青年）。研究成体干细胞命运决定机制，发展类器官培育新策略。
