【导读】

患者源性的肿瘤类器官（PDOs）是一种在体外培育而成的具备三维结构的微器官模型，具有与对应肿瘤组织高度类似的空间构造并能重现部分生理功能，从而提供一个高度生理相关系统，已逐渐发展成为疾病机理研究、药物筛选和个性化医疗等领域的极具潜能的体外模型。但现阶段PDOs体外建立的时间长、效率低等问题，极大地限制了PDOs临床转化应用。

近期，清华大学医学院的刘鹏教授联合北大人民医院王俊院士团队、北京航空航天大学陈晓芳课题组，在Nature Communications上发表了题为Lung cancer organoids analyzed on microwell arrays predict drug responses of patients within a week的研究新成果。在该研究中，研究人员将微流控芯片技术与类器官技术相结合，首先采用机械样本处理方法从手术切除和活检的肿瘤组织中制备出肺癌类器官(LCOs)，重现亲本肿瘤的组织学和遗传特征，并具有无限扩大的潜力；进一步结合集成超疏水微孔阵列芯片（InSMAR-chip）用于LCOs的高通量培养与分析，由于芯片微孔结构体积为纳升量级，大大缩短了药敏检测时间，结果显示数百个LCOs可在一周内产生具有临床指导意义的药物反应。后续实验进一步验证基于LCOs的药物试验与患者来源的异种移植物（PDX）、肿瘤基因突变和临床疗效结果高度一致。

【实验方法及结果】

 从患者样本中生成LCOs

研究人员建立了一种有效的机械样品处理方法如图1（a）所示，并采用此方法处理了103例手术切除的肺癌组织样本（含71例腺癌、23例鳞状细胞癌、4例小细胞肺癌和5例其他类型肺癌）用于LCOs制备，结果显示类器官培养的成功率为79%。

图1. 从肺肿瘤组织中建立肺癌类器官（LCOs）并用于药敏试验

LCOs的表征

研究人员对LCOs进行H＆E染色、免疫组化和全基因组测序分析。结果表明，所制备的LCOs保留了原肿瘤组织的组织学和遗传特征，在体外长期培养和传代后，均保持稳定。

图2. 肺癌类器官（LCOs）的生物学表征

集成超疏水微孔阵列芯片（InSMAR-chip）药敏试验研究

为了加快药物敏感性试验的进程，研究人员开发了一种InSMAR-chip，以取代传统的96孔微孔板，用于高通量培养LCOs并检测LCOs对纳升级药物的反应。研究人员首先验证了在芯片上培养的LCOs显示出与在传统微孔板中培养的LCOs相似的生长速度和生存能力，更重要的是，保持了亲代肿瘤组织的3D结构（图3）。

图3. InSMAR-chip用于培养LCOs三维培养

进一步，研究人员将PDX衍生的类器官PDXO，与基于小鼠的PDX模型进行药物敏感性试验比较。实验结果证明PDXOs的芯片药物反应与体内PDX结果一致（图4）。

图4. 基于LCOs芯片的为期一周药敏试验与PDX结果对比

基于LCOs芯片的为期一周药敏试验代表肺癌对化疗的反应异质性

为了探索基于LCOs的一周药敏试验是否可以预测患者对化疗药物的反应，研究人员通过机械方法处理以制备类器官，并在手术后一周内，在InSMAR-chip上进行实验。研究人员测试了常用的抗肺癌药物对来自21例患者样本的类器官的影响。对InSMAR-chip上培养的类器官采用吉非替尼等药物作用，药物反应曲线证明了LCOs对药物的敏感性，并与基因突变结果一致。

接下来，为了验证药物敏感试验是否可以重现患者对TKI治疗的反应。研究人员对两个患者（LC132-O和LC133-O）的药物治疗进行了追踪记录。结果显示，两名患者的肿瘤都在数月后出现了耐药性，并伴随着肿瘤转移。同时，LC132-O和LC133-O的芯片药敏试验产生了两条相差较大的剂量-反应曲线，其中LC132-O表现出更多的耐药性，与临床结果非常吻合。这些结果表明，基于LCOs的芯片药物筛选应用于个性化药物治疗的可行性。

【总结】

研究团队建立了一套可靠的肺癌类器官处理和快速药物筛选平台，基于特殊设计的集成超疏水微孔阵列芯片（InSMAR-chip）将肿瘤类器官药敏试验时间缩短至一周。使用InSMAR-chip扩展的LCOs用于化疗药物筛选结果与PDX模型、基因突变和临床结果均具有良好的一致性。此项类器官技术与微流控芯片技术相结合的技术平台将有望推动肿瘤类器官在临床药物筛选方面的转化应用。