【导读】

患者来源性肿瘤类器官(PDOs)是一种前景广阔的临床前模型，它可以提供患者肿瘤的组织学、基因表达和药物反应信息。目前，PDOs的培养依赖于小鼠肿瘤基底膜提取物(BME，一种3D细胞培养的“金标准”水凝胶)，但BME有着批次间差异、存在异种化合物和残留生长因子以及力学性能控制不佳的缺点，这会降低BME的可靠性。另外，在利用患者来源的异种移植物类器官（PDXOs）开发新的类器官时，培养基中的小鼠宿主细胞会在数量上淹没我们想要的人类类器官，这也是一个严重的问题。因而，类器官模型的研究和应用迫切需要一种新的、能够克服上述缺点的培养基。

最近，多伦多大学等研究机构的研究者们在《Nature Communications》上发表了将一种纳米纤维水凝胶(EKGel)用于乳腺癌PDOs的形成和生长的论文，验证了EKGel可以作为乳腺癌PDOs培养中的基质。 

【性质比较】

EKGel由一个纤维网络组成(图. 1(b)) ，类似于体内肿瘤细胞外基质中的胶原蛋白结构，是可以用明胶和棒状醛修饰纤维素纳米晶体(a-CNCs)合成的一种仿生酶凝胶，与BME(图. 1(c))相比，EKGel中的孔隙明显更大，这增强了营养物质对流的能力。此外，EKGel的共价交联还增强了水凝胶的稳定性。

图1 EKGel和BME水凝胶的结构和性质差异

【生长情况】

研究者分别采用EKGel和BME作为基质开展PDOs培养实验，两者中的PDOs都能生长成外观相似的球形类器官(图. 2(a-f))。通过计算连续4代细胞的数目，检测EKGel和BME的细胞增殖情况，以及监测类器官直径和细胞增殖的时间变化(图. 2(g-i))。结果表明在EKGel和BME中生长的PDOs的直径在统计学上无差异，EKGel水凝胶是适合乳腺癌PDOs的长期传代和维持的。

图2 EKGel和BME中乳腺癌PDOs的生长情况

【基因表达情况】

为了评估在EKGel和BME基质中生长的PDOs之间基因表达情况，研究者从基因层面分析了在两者中生长的PDOs之间区别，对每种条件下的细胞进行了RNA测序，结果显示，在两种不同生长基质中PDOs的基因表达，仅有6个基因存在显著差异(图. 3(b))，其它基因的表达具有高度一致性。

图3 EKGel和BME中PDOs的基因表达分析

【药物反应情况】

为了探索EKGel和BME中生长的类器官品系对常用乳腺癌药物（马球蛋白、紫杉醇和阿霉素等）的化学敏感性，研究者进行了体外药物分析。结果表明， EKGel和BME中的肿瘤均对紫杉醇等抗癌药物有反应，表现出明显的肿瘤生长抑制效果，此外，紫杉醇治疗的EKGel-肿瘤和BME-肿瘤的生长速率相似，这表明抗癌药物在两种培养基中具有相似的药效。

图4 EKGel和BME中的乳腺肿瘤类器官对抗癌药物的反应

【类器官的形成情况】

低形成率是癌症PDOs培养的一个重要难题，开发可以提高形成率的新基质将促进该领域的发展。因此，研究者探索了在EKGel中形成乳腺癌PDOs和PDXOs的潜力，发现在EKGel和BME中，PDOs的形成率是相同的(图.5(a))，但是PDXOs在EKGel中成功形成，却在BME中没有形成(图.5(d)、5(e))，这说明在两种基质中，PDXOs的形成存在显著差异，EKGel有提升形成率的潜力。

图5 EKGel和BME中的类器官形成率

【总结】

研究团队开发了一种新的仿生水凝胶-纳米纤维水凝胶(EKGel)，用于有效形成和扩增乳腺癌患者来源性肿瘤类器官(PDOs)，EKGel有作为这些类器官类型支架的潜力，使体外模型能够捕获患者自身和患者间的异质性，并可用于开发个性化的癌症治疗手段。随着对EKGel这种新型生物材料研究的深入，将可能实现对不同乳腺癌和其他癌症类型的类器官的精细建模、并准确预测对不同药物类别的临床反应。该项工作将EKGel与小鼠肿瘤基底膜提取物（BME）的特性进行比较，表明EKGel具有以下优势和特点：

1.EKGel和BME中的乳腺癌PDOs的生长、药物反应、基因表达是一致的。

2.高度可重复性的力学性能。EKGel的存储模量可微调超过三个数量级，从而克服了BME的批次间可变性和刚度范围窄的缺点。

3.EKGel可以保持正常乳腺组织和乳腺肿瘤的特性、具有模拟肿瘤细胞外基质结构的纤维性结构的能力。

4.EKGel在接近生理环境的流动条件下机械稳定性更好，使其能够用于微流控有机芯片模型中，从而有潜力在基础癌症研究和药物筛选中广泛应用。

5.EKGel具有更好的适配性。 EKGel支持具有不同组织学亚型和不同来源材料（即患者样本和患者来源的异种移植物）的乳腺癌PDOs的形成和生长，并且EKGel 中培养的PDXOs具有更高的形成率。

【原文信息】
Prince, E., Cruickshank, J., Ba-Alawi, W. et al. Biomimetic hydrogel supports initiation and growth of patient-derived breast tumor organoids. Nat. Commun. 13, 1466 (2022)