圖：總體實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案

2023年6月22日北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）湯富酬教授團(tuán)隊與北京大學(xué)第三醫(yī)院普通外科付衛(wèi)教授團(tuán)隊合作，其中來自北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的毛雨諾博士為第一作者，在Protein & Cell期刊發(fā)表了一篇名為"Drug repurposing screening and mechanism analysis based on human colorectal cancer organoids“的文章。作者團(tuán)隊開發(fā)了一個基于類器官的藥物篩選系統(tǒng)，分析了CRC類器官的藥物響應(yīng)特征，并預(yù)測了潛在的抗癌藥物，以及評估了基于轉(zhuǎn)錄組特征的體外和體內(nèi)藥物篩選系統(tǒng)，提供了一種基于測序的藥物鑒定策略。

作者首先建立了長期穩(wěn)定培養(yǎng)的、具有高度代表性的結(jié)直腸癌類器官， 觀察到患者腫瘤組織的形態(tài)各不相同，對應(yīng)的類器官代表了腫瘤組織的異質(zhì)性形態(tài)。為了進(jìn)一步表征分子特征，在多組學(xué)水平上評估了類器官與親代腫瘤組織之間的一致性，在類器官和相應(yīng)的腫瘤組織中發(fā)現(xiàn)了CRC中常見突變的關(guān)鍵驅(qū)動基因。這些突變根據(jù)信號通路或相關(guān)基因分為不同類型，如Wnt/β-catenin、RAS/MAPK、PI3K/AKT、TGF、TP53相關(guān)通路、JAK/STAT等。結(jié)直腸癌的關(guān)鍵驅(qū)動基因APC和TP53是結(jié)直腸癌中常見的兩種突變，在所建立的8個類器官系中均有發(fā)現(xiàn)，證明培養(yǎng)的類器官可以很好地概括體內(nèi)腫瘤的遺傳特征。

圖1：結(jié)直腸腫瘤類器官保留了原發(fā)組織的組織學(xué)結(jié)構(gòu)和基因組特征

該研究基于多個數(shù)據(jù)庫建立了一套藥物預(yù)測方法，使用經(jīng)過FDA批準(zhǔn)的藥物庫，并且使用結(jié)直腸癌臨床常用藥5-氟尿嘧啶（5-Fluorouracil）和瑞戈非尼（Regorafenib）作為陽性對照，在包含預(yù)測藥物的共335種藥物中，成功篩選出34種候選藥物。為了驗(yàn)證這34種候選藥物具有潛在的殺傷結(jié)腸癌類器官的能力，該研究在8個結(jié)直腸癌類器官系中進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同患者來源的類器官對34種候選藥物的敏感性不同，臨床上常用的5-氟尿嘧啶和瑞戈非尼兩種結(jié)直腸癌治療藥物也顯示出對不同的類器官系的敏感性不同，說明不同患者之間的藥物響應(yīng)差別大，從側(cè)面反映出類器官篩選藥物進(jìn)而幫助指導(dǎo)患者用藥的重要性。

圖2：藥物預(yù)測和基于器官的藥物篩選

基于GR50值所代表的藥物敏感性，觀察到多納非尼和托磺酸索拉非尼都靶向血管內(nèi)皮生長因子受體(VEGFR)，以及不同類器官系對這兩種藥物的敏感性表現(xiàn)出高度一致性，不同藥物對同一靶點(diǎn)的敏感性在類器官系之間高度一致，表明研究的藥物篩選系統(tǒng)的可靠性。比較患者來源的類器官之間的藥物敏感性差異，發(fā)現(xiàn)不同藥物治療同一類器官系的藥物敏感性存在明顯差異，同一藥物治療不同類器官系的藥物敏感性也存在差異，這表明不同CRC患者之間存在生物學(xué)異質(zhì)性。

圖3：在不同患者來源的類器官中觀察到明顯的藥物敏感性異質(zhì)性

34種候選藥物都對腫瘤類器官有顯著的抑制作用，但不同的藥物干擾不同的途徑，表明它們以不同的方式抑制CRC類器官的活力。根據(jù)腫瘤相關(guān)信號的表達(dá)和基因功能富集分析確定了5種不同的藥物反應(yīng)特征模式。(G1)為分化誘導(dǎo)組，特征是不同腸上皮細(xì)胞類型的標(biāo)記基因表達(dá)較高，藥物在殺傷腫瘤細(xì)胞的同時也可能通過促進(jìn)細(xì)胞分化進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。(G2)為生長抑制組，特征是顯著抑制生長因子反應(yīng)和MAPK信號通路的調(diào)節(jié)。(G3)為代謝抑制組，特征是其中的化合物抑制結(jié)直腸癌類器官代謝相關(guān)途徑的表達(dá)，特別是糖酵解途徑。(G4)被注釋為免疫反應(yīng)促進(jìn)組，特征是其中的化合物抑制腫瘤細(xì)胞增殖，而且通過增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的抗原呈遞特征，促進(jìn)免疫系統(tǒng)攻擊腫瘤細(xì)胞。(G5)被確定為細(xì)胞周期抑制組，特征是其中的化合物顯示細(xì)胞周期和DNA復(fù)制的下降，其轉(zhuǎn)錄組特征表現(xiàn)為有絲分裂紡錘體功能被抑制、鐵死亡通路激活，且腸道細(xì)胞分化相關(guān)基因的表達(dá)下調(diào)。

圖4：五種不同藥物反應(yīng)模式的轉(zhuǎn)錄組特征

通過建立PDOX模型來評估藥物在體內(nèi)環(huán)境中的治療效果。從每個藥物反應(yīng)組(共7種藥物)中選擇1-2種GR50值較低且臨床使用毒性較低的藥物進(jìn)行PDOX抑瘤實(shí)驗(yàn)。通過計算藥物治療后小鼠的腫瘤重量，發(fā)現(xiàn)篩選的所有藥物都有潛在的抑瘤作用，其中，除臨床常用藥物5-氟尿嘧啶之外，曲美替尼（Trametinib）、硼替佐米（Bortezomib）和菲卓替尼（Fedratinib）的抑制腫瘤的效果明顯。根據(jù)轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)和蛋白水平結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了曲美替尼、硼替佐米和菲卓替尼可能為治療結(jié)直腸癌的潛在藥物。

圖5：所選藥物對PDOX模型的抗癌效果驗(yàn)證

為了排除患者間異質(zhì)性的影響，該研究進(jìn)一步比較體外和體內(nèi)系統(tǒng)(類器官模型和成對PDOX模型)的藥物反應(yīng)差異。在兩種系統(tǒng)中，觀察到藥物處理細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組變化不一致，其中也包括臨床常用藥物5-氟尿嘧啶。同時，體外類器官和體內(nèi)相應(yīng)的PDOX模型之間只有大約10%的DEG重疊，并且它們之間受干擾途徑的表達(dá)不同。兩種篩選系統(tǒng)之間癌癥相關(guān)通路的一致性表達(dá)在不同的類器官系和不同的藥物治療中也有所不同。

圖6：體外培養(yǎng)的類器官與體內(nèi)建立的PDOX藥物轉(zhuǎn)錄組特征比較

為進(jìn)一步研究藥物預(yù)測方法和基于類器官的藥物篩選系統(tǒng)是否可以為CRC的藥物聯(lián)合治療提供有價值的線索，在具有潛在腫瘤抑制作用的三個藥物中，最初被開發(fā)用于治療骨髓纖維的菲卓替尼（Fedratinib）引起了該團(tuán)隊的注意。研究發(fā)現(xiàn)，菲卓替尼（Fedratinib）對CRC腫瘤類器官有明顯的抑制作用。因此，研究團(tuán)隊利用LINCS數(shù)據(jù)庫來預(yù)測可能與菲卓替尼（Fedratinib）有協(xié)同作用的藥物，其中，硼替佐米（Bortezomib）是首先選藥物。根據(jù)兩種患者來源的類器官系設(shè)置聯(lián)合用藥的梯度濃度，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合組的抑瘤效果大于單用藥物，說明聯(lián)用菲卓替尼（Fedratinib）與硼替佐米（Bortezomib）可能具有更大的抑瘤效果，并且在PDOX模型和轉(zhuǎn)錄組測序分析中進(jìn)一步驗(yàn)證了協(xié)同效應(yīng)。

圖7：探索類器官作為發(fā)現(xiàn)藥物聯(lián)合模型的可行性

該研究成功建立了基于人類結(jié)直腸癌類器官模型的體外藥物篩選和藥效評價平臺，將重組藥物庫與基于計算的藥物預(yù)測相結(jié)合，共檢測335種藥物，鑒定出34種具有抗凝血酶作用的藥物。候選藥物的抗癌活性在已建立的患者源性類器官異種移植(PDOX)體內(nèi)系統(tǒng)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，還評估了類器官在體外和PDOX在體內(nèi)的藥物反應(yīng)特征的一致性和不一致性。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，發(fā)現(xiàn)菲卓替尼（Fedratinib）, 曲美替尼（Trametinib）和硼替佐米（Bortezomib）具有有效的抗癌作用。更重要的是，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序，成功揭示了候選藥物的作用機(jī)制。同時，獲得的轉(zhuǎn)錄組譜可作為藥物研發(fā)的寶貴資源。

小鼠結(jié)腸類器官培養(yǎng)基套裝組分表

人結(jié)腸癌類器官培養(yǎng)基套裝組分表

腫瘤組織消化液組分表

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