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类器官在子宫颈癌治疗中的研究进展

2024-04-18 6 上传者：管理员

摘要：子宫颈癌是常见的女性生殖系统恶性肿瘤。研究发现，针对宫颈癌的肿瘤细胞系培养和肿瘤异种移植建模技术具有一定的局限性。子宫颈癌类器官是由患者来源肿瘤细胞培养形成的临床前研究模型，更准确有效地保留了肿瘤异质性，同时也具备兼顾肿瘤细胞与胞外基质间相互作用的潜力。本文将近年来宫颈癌类器官模型在发病机制、药物筛选及精准医疗方面的研究进行综述，进而分析类器官技术在妇科肿瘤研究的发展前景及挑战，以期为宫颈癌个体化治疗探索新的可能性。

关键词：
临床前模型
子宫颈癌
类器官
精准医疗
药物筛选实验
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子宫颈癌是发生在子宫颈部位的女性生殖系统恶性肿瘤，在中国女性恶性肿瘤发病率中居第二位[1]。近年来，随着宫颈癌早期筛查及HPV疫苗的普及，宫颈癌得以早发现、早诊断及早治疗，其发病率呈逐渐下降趋势[2]。但针对晚期或复发性宫颈癌精准治疗手段仍有限，如何根据其特有的标记蛋白或基因提出个体化治疗策略，是改善宫颈癌患者预后所面临的挑战[3]。

迄今为止，宫颈癌的临床前研究依赖于数量有限的干细胞系模型(patient-derived cancer cell lines, PDC)以及异种移植免疫缺陷小鼠模型(patient-derived xenografts, PDX)。目前被广泛使用的细胞系，如HeLa或CaSki在传代培养中逐渐失去亲代肿瘤组织的遗传特性和肿瘤异质性，这可能是PDC模型肿瘤药物研发过程中失败的主要原因之一[3]。PDX是将人肿瘤组织碎片移植到免疫缺陷小鼠体内形成的人源性肿瘤异种移植模型，保留了肿瘤原有的组织学特征，可模拟肿瘤与体内环境相互作用并进行相关药敏试验[4],但由免疫缺陷小鼠构建的PDX模型并不能完全重现人体免疫系统，无法模拟人体内针对肿瘤组织产生的特异性免疫反应，免疫治疗药物试验难以通过PDX模型进行。此外，建模周期长、移植失败率高以及控制成本等问题，大样本量的PDX建模实验受到明显限制[5]。相较于传统的建模方案，患者来源的肿瘤细胞类器官(patient-derived organoid, PDO)是指通过体外培养构建出的三维细胞团，具有自我更新、维持来源组织一致的结构与功能的优势[6]。体外培养的类器官可高度还原活体组织细胞系的功能，并且在长期培养、扩增传代过程中保持遗传特异性的稳定[7]。培养PDO的3D系统能支持正常上皮细胞的生长，因此对于研究肿瘤早期的生物学行为更有优势[8]。随着以类器官培养技术为基础的肿瘤学和干细胞生物学研究的发展，其构建技术也在不断的改进，类器官技术已被证实是良好的人体器官和组织的体外培养模型。类器官技术已扩展到多种妇科组织和肿瘤的研究中，包括正常输卵管[9]、卵巢表面上皮[10]、子宫内膜[11]以及相关的癌症。本文就近年来子宫颈癌类器官的培养进展及其在肿瘤研究中的应用及挑战进行总结阐述，以期为类器官技术在妇科肿瘤研究方面提供参考。

1、宫颈癌类器官培养进展

宫颈癌类器官细胞主要源于患者手术切除的肿瘤组织，Maru等[12]提供了一种较成熟的培养方案——基质双分子层类器官培养(matrigel bilayer organoid culture, MBOC),利用Mtrigel作为细胞外培养基质模拟人体内肿瘤微环境。长时间的体外培养除了需要完整的宫颈外介质外还需其他细胞因子来实现最佳生长。大量证据表明，Wnt/β-catenin信号通路及其配体RSPONDIN-1和Wnt3a具有调节干细胞自我更新驱动和致癌过程的能力。Chumduri等[13]研究表明，反Wnt信号通路是宫颈鳞状细胞类器官形成和长期维持的关键。Lohmussaar等[14]利用宫颈鳞癌和腺癌细胞生成了相应的肿瘤类器官，并且揭示了它们与起源组织在转录组学特征方面的高度相似性，其中包括HPV病毒基因介导的肿瘤基因组特征，这提示宫颈癌类器官可作为研究性传播感染和宫颈癌发生发展的有效平台。除模拟病毒基因介导宫颈癌发生过程外，通过基因编辑手段培养宫颈癌类器官模型可能是一个潜在热点。Matano等[15]利用CRISPR-Cas9系统对结肠类器官进行基因编辑得到不同组织学类型的结肠癌类器官，这对于建立不同表型的宫颈癌类器官生物信息库有借鉴意义。鳞状细胞癌和腺癌是宫颈癌的主要病理亚型，分别占宫颈癌发病率的70%和25%[16]。宫颈腺癌类器官呈囊性结构，鳞癌类器官组织则密度较大，但培养成功率相较前者更低[17],这表明类器官的形成率与起源组织病理类型显著相关。除宫颈鳞癌和腺癌常见类器官模型外，已有团队报道建立了宫颈透明细胞癌[18]、小细胞神经内分泌癌[19]等罕见宫颈癌类器官模型。罕见宫颈恶性肿瘤的治疗方案常缺乏大规模临床试验证据的支持，因此建立能可靠再现肿瘤异质性及微环境的患者衍生模型非常重要，这突出了类器官技术在精准医疗方面的潜力。

2、类器官在宫颈癌发病机制中的应用

得益于分子生物学的不断发展，我们能从分子层面揭示肿瘤形成机制并发现新的治疗靶点。体细胞基因突变、癌症相关基因表达和HPV-DNA的整合是目前研究宫颈癌发生发展的重要机制。癌症基因图谱(The Cancer Genome Atlas, TCGA)计划鉴定出PIK3CA、FBXW7、KRAS等14个宫颈癌相关显著突变基因[20]。我国一项研究进一步揭示了不同病理类型宫颈癌基因突变频率存在差异[21]。上述研究表明癌症特异性的基因表达模式是认识肿瘤异质性的关键，因此类器官模型在研究肿瘤遗传学特征中更具优势。通过与3种传统的子宫颈细胞系相比，Maru等[22]发现宫颈转化区类器官有28个组织特异性基因表达上调，其中MMP-7和AGR2等13个基因在类器官中上调了10倍以上。Lohmussaar等[14]研究也得到了类似证据，此外他们还通过主成分分析揭示了宫颈癌类器官在发育的各个阶段都稳定保持了起源组织的基因特征。这些研究表明宫颈癌类器官保留了原始肿瘤的全基因组拷贝数突变及双等位基因TP53等失活等重要遗传特征，能良好地维持肿瘤内异质性，有助于深入了解妇科肿瘤的发病机制。

高危型HPV感染是宫颈癌的主要病因，HPV相关宫颈癌涉及一个多阶段致癌过程：HPV病毒致癌蛋白E6和E7分别使宿主细胞中抑癌蛋白p53和pRb失活，HPV-DNA整合到人类基因组中后会触发癌基因扩增和染色体重排等遗传改变，持续HPV感染导致宿主细胞DNA改变的累积是侵袭性宫颈癌形成的重要步骤[23]。因此，可通过分析HPV整合位点和随后的基因改变来确定新的治疗靶点。Toyohara等[24]建立了HPV18转染的宫颈转化区类器官体系，通过RNA测序和功能实验发现NPM3基因是HPV相关宫颈腺癌一个新的治疗靶点。Koster等[25]利用HPV和衣原体合并感染宫颈类器官，模拟癌症相关的性传播细菌病原体感染对宫颈细胞的影响，揭示了与共感染相关的细胞重编程过程。Bedard等[26]通过单细胞转录组分析来研究HPV16感染的上皮细胞，并与健康的宫颈类器官相结合进行空间定位实验，确认了特征基因在三维组织中的表达模式。通过这一研究思路，不仅成功地揭示了HPV16感染对上皮细胞的影响，鉴定了与癌症相关的角质细胞亚群，还有助于我们更好地理解HPV感染与癌症发展之间的关系，并为宫颈癌的预防和治疗提供了新的线索。

3、精准医疗中的宫颈癌类器官

宫颈癌类器官能在体内和体外显示出宫颈癌的表型特征，因此能为患者特异性药物反应的分子研究提供有价值的模型，从而能确定肿瘤药物最佳剂量，同时降低对正常组织的伤害。有研究报道从癌细胞提取到类器官形成并取得明确数据的周期是3周[27],利用高通量系统则可实现在术后1周内利用类器官进行药物筛选[28]。Soel等[17]建立四种来自不同宫颈癌的类器官，并测试了它们对于一线宫颈癌化疗方案的敏感性和耐药性，表明了类器官可用于各种宫颈癌化疗药物筛选试验。该团队还从171种分子靶向化合物中进行高通量药物筛选，得到7个能显著抑制宫颈癌类器官活力的化合物，这些结果表明，类器官模型可用于评估患者对药物的反应从而对目标药物的耐药性进行预测。Di Fonte等[29]利用宫颈癌患者来源的类器官进行药物敏感性测试，揭示了β受体阻滞剂普萘洛尔(propranolol)能增强致癌基因转录抑制剂曲贝替定(trabectedin)治疗宫颈癌的疗效。Kusakabe等[30]建立了HPV18相关的宫颈小细胞癌类器官，利用转录组学和基因组学确定了新的治疗靶点，验证了KRAS通路抑制剂曲美替尼(trametinib)和原癌基因MYC抑制剂MYCi975对宫颈小细胞癌类器官的抑制作用，此外还将类器官植入免疫缺陷小鼠体内，在证明以上抗癌药物对宫颈小细胞癌的治疗作用外，也展示了类器官异种移植后仍能维持原始肿瘤组织的组织结构和基因表达谱的稳定。因此，建立临床相关的类器官模型能高效地用于一线治疗方案的敏感性测试，并还原患者个体的复杂异质性，促进宫颈癌个性化治疗决策的发展。

放射治疗是宫颈癌的主要治疗手段之一，而子宫颈癌患者对放射的敏感程度各不相同。针对类器官的辐射敏感性测定为预测患者肿瘤放疗效果以及探究辐射抗性机制提供了新的可能。Zhang等[31]在一项宫颈癌类器官的前瞻性研究中，发现在肿瘤以鳞状间充质成分为主的宫颈癌亚型对放疗的敏感性差，通过类器官模型证明癌细胞中间充质成分增多、糖酵解水平升高会导致癌组织对辐射抗性增强，进而使得放疗效果变差，并且指出代谢指标对于宫颈癌放疗效果具有一定的预测价值。Huang等[32]将14种独立的宫颈癌类器官进行不同放射剂量的辐射敏感性对比，观察到了不同患者来源的宫颈癌类器官对放疗敏感性的差异，并且将类器官移植到免疫缺陷小鼠中也得到了进一步的验证。值得一提的是，该团队还纳入2例晚期宫颈癌患者肿瘤衍生类器官进行了化疗致敏放疗的效果测定，并在患者后续的临床随访中得到了与实验预测结果一致的治疗反应。这些研究都表明在宫颈癌发展不同阶段，都可借助类器官平台进行体内和体外的敏感性测试，并在短时间内帮助患者实现精准治疗策略的制定。

免疫系统在肿瘤恶变的过程中发挥着重要作用。HPV感染的宫颈细胞与免疫微环境的共同作用影响宫颈癌的发展进程。抗肿瘤免疫的主要效应细胞包括NK细胞和T细胞，类器官与免疫细胞共培养系统为体外测试免疫治疗提供了新平台[33]。Huang等[32]建立过继性T细胞(adoptive T-cell)与宫颈癌类器官共培养系统，观察到了不同患者来源宫颈癌类器官对于T细胞体外杀伤实验的特异性，并且揭示了TTN基因突变可能是宫颈癌过继T细胞治疗(adoptive T-cell therapy, ACT)的潜在预测因子。Dong等[34]研究也表明了类器官共培养系统验证γδT细胞对宫颈癌的免疫治疗作用。这些都表明类器官平台在体外预测免疫治疗疗效方面的潜力，由于宫颈癌患者的复杂性和异质性，免疫治疗的效果在患者之间存在着显著差异，因此有必要建立免疫细胞与宫颈癌类器官共培养临床前模型，以精确评估不同疗法的机制与效果。

4、总结与展望

类器官模型在肿瘤研究中的优势显而易见，但作为新兴技术，在妇科肿瘤方面的应用正处于起步阶段，仍有需改进的不足之处，面临许多挑战。有研究证明，长期体外培养后，肿瘤组织来源的类器官仅含有恶性上皮肿瘤细胞，不包括免疫细胞、血管或结缔组织[35]。这说明类器官缺少真实的人体内环境，主要是多种间质细胞的缺乏，这些细胞的缺失会导致部分原始肿瘤内部信息的丢失，如源于恶性上皮肿瘤细胞的类器官难以靶向识别作用于肿瘤与基质的药物；如肿瘤血管内皮生长因子抑制剂。已有学者提出将类器官与基质细胞及免疫细胞共培养的方式还原肿瘤在人体内的微环境。Yuki等[36]将NK细胞、DC细胞与肿瘤类器官共培养，发现可阻断类器官内部肿瘤细胞的程序性死亡受体1及配体(PD-1/PD-L1)的识别通路，进而阻碍肿瘤进展。我国的团队也针对宫颈癌的特异性微环境和独特的免疫应答模式进行深入探索，将肿瘤上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞形成共培养类器官，通过转录组学在分子层面验证了肿瘤微环境中不同细胞类型的相互作用和功能[37]。类器官技术如何完全还原体内真实免疫环境，在肿瘤免疫治疗研究中发挥更大的应用价值，仍有很大的探索空间。

宫颈癌类器官能保留来源肿瘤的组织学特征、基因特征和肿瘤异质性，从而允许基于患者的个性化治疗方案的施展。针对女性生殖系统恶性肿瘤的发病机制、药物筛选和疗效预测，基于类器官平台的临床前肿瘤模型帮助我们精准进行治疗方案的选择。虽然类器官技术展现出的优势已表明其在生物医药方面具备广泛的潜力，但仍需更多的探索来完善培养方案，以及整合肿瘤实质细胞与肿瘤基质来还原人体内肿瘤微环境。类器官模型预计将构建一个全面完整的癌症模型系统，为肿瘤预防、个体化治疗方案的选择和患者生存预测提供高效的研究平台。

文章来源:李晓峰,刘菲,杨兴升.类器官在子宫颈癌治疗中的研究进展[J].现代妇产科进展,2024,33(04):311-313+316.、