宋洪军/明国莉团队建立病人来源的胶质母细胞瘤类器官培养新方法

胶质母细胞瘤是成人脑部肿瘤中最常见的类型。胶质母细胞瘤具有非常强的侵袭性,因此也是最致命的肿瘤类型。从2005年至2018年,胶质母细胞瘤的治疗手段从手术加放疗改进为手术放疗加temozolomide 化疗,患者的中位生存期仅仅从12.1月增加至14.6月,效果不理想【1】。大量的研究显示胶质母细胞瘤间以及肿瘤内的异质性是导致临床试验收效甚微的最主要的原因。因此精准的个性化治疗对于改善治疗现状就显得极其重要。目前开发出的多种探索模型已经能够向我们展示每个胶质母细胞瘤样本的病理特征,但都存在局限性。其中包括普通的体外单层或者成球原代肿瘤细胞培养,需要花费时间扩增建立体系,但是并不能很好地保持肿瘤原有的细胞类型和主要驱动基因的表达。目前学者认为PDX模型可以较好的保持原有肿瘤的特性。然而PDX模型移植效率不稳定,在宿主中成瘤需要2-11月的等待时间,这个时间段过长,阻碍了个性化治疗的临床应用。因此开发维持胶质母细胞瘤异质性的体外新模型的建立对于这类肿瘤的个性化治疗的推进仍然是大量研究致力的方向。
 
2019年12月26日,来自美国宾夕法尼亚大学费城分校的宋洪军明国莉团队在Cell上发表了题为“A Patient-Derived Glioblastoma Organoid Model and Biobank Recapitulates Inter- and Intra-tumoral Heterogeneity”的文章。该文章向大家介绍了课题组新开发的可以较好维持原肿瘤特性并且能够在短时间内建立的病人来源的胶质母细胞瘤体外类器官模型Patient-derived glioblastoma organoids (GBOs)
 

目前在多种类型的组织和肿瘤中使用3D 类器官培养(3D organoid culture)这种方法来探究功能表型和细胞分子异质性,但是在何种程度上维持原有组织和细胞的特性还未知。3D类器官培养需要将组织中的细胞通过物理或者酶解方法分离开【2】

为了保持原始的局部细胞结构以及细胞之间的相互作用,避免特定的培养环境对细胞克隆的选择,于是作者直接绕过分离细胞这一程序,建立了培养GBOs的步骤(图1)。作者对培养成功的GBOs进行了H&E染色、CD31血管系统染色、Ki67染色以及与神经发育相关的一系列标志物染色。分析发现GBOs不仅保持了肿瘤异质性,而且多种分子的表达模式与原肿瘤组织非常类似。目前作者从53名胶质母细胞瘤病人建立了包括有70个GBOs的biobank。作者进一步对样本进行转录组测序分析对比发现,原肿瘤和对应的GBOs的转录组表达情况高度相似。之后又进行了全外显子测序发现原肿瘤样本中的体细胞突变和CNVs在GBOs中几乎都得到保持。肿瘤之间的异质性也同样得到维持。作者又在同一个GBOs的不同区域进行转录组和外显子测序进行分析发现,肿瘤内的异质性一样得到了保持。为了分析GBOs是否也保持了细胞类型的异质性和相应的分子特性,作者对三个病人样本和相应的GBOs进行了单细胞转录组分析,也得到了肯定的结果。
 
图1. GBO流程

既然此模型能够高效的保持原肿瘤特性,作者接下来就检测了GBOs在应用方面的效果。作者将完整的GBOs进行原位移植发现,动物模型的构建在一月时间内完成,不仅仅具有较强的时间优势,造模效率也高于PDX模型。运用此模型检测肿瘤对于药物反应情况,结果显示不同肿瘤来源的GBOs对药物反应是具有异质性的,靶向治疗的反应性与肿瘤的突变状态和驱动肿瘤信号途径相符合。表明了GBOs对靶向治疗中个性化用药的快速决策具有重要价值。作者又将GBOs与CAR-T细胞共培养发现GBOs能够快速决定CAR-T治疗的反应性效果。
 
 
总的来看,作者建立的新型的GBOs模型不仅仅能够继承原胶质母细胞瘤的异质性以及其中的关键特征,此模型同时也具有极高的针对个性化治疗决策的极高的应用价值。
原文链接:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31321-2
1. Paolillo, M., Boselli, C., and Schinelli, S.(2018). Glioblastoma under Siege: An Overview of Current Therapeutic Strategies. Brain Sci. 8, E15. 
2. Hubert, C.G., Rivera, M., Spangler, L.C., Wu, Q.,Mack, S.C., Prager, B.C., Couce, M., McLendon, R.E., Sloan, A.E., and Rich,J.N. (2016). A Three- Dimensional Organoid Culture System Derived from HumanGlioblastomas Recapitulates the Hypoxic Gradients and Cancer Stem CellHeterogeneity of Tumors Found In Vivo. Cancer Res. 76, 2465–2477.
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