重磅分析|基于3D模型的胶质母细胞瘤研究新进展概览广州精科医学检验所有限公司

引文

胶质母细胞瘤（GBM）是成年人原发性恶性脑肿瘤中的最常见形式，由于GBM具有很强的侵袭性和较高的恶性程度，通常预后很差。缺乏再现人脑复杂性的体外模型是神经肿瘤学和神经病学领域的主要研究障碍。因此，开发创新模型来有效地再现GBM的复杂表型对于GBM转化研究至关重要。

近年来新型的3D类器官和细胞培养系统为GBM疾病建模提供了新的可能，并被应用到了疾病工程、药物筛选、建立活体Biobank和探索个性化治疗等多个方向。这些模型通过使用CRISPR/Cas9技术进行基因修饰，可研究与胶质瘤发生相关的关键基因的特定作用，而与GBM细胞建立共培养系统可以作为了解其侵袭行为一种方式。

2D与3D GBM模型对比

在疾病模型中，2D细胞培养模型最简便且应用最为广泛。长期以来，U87、U251和T98G细胞系也是研究GBM生物学的最为常用的工具，但在研究较为复杂的疾病时，2D模型存在一定的局限性，血清培养基可能会导致基因组和转录组水平改变，将细胞系植入免疫功能缺陷小鼠体内产生的肿瘤无法重现许多经典的GBM表型，如：弥漫浸润、微血管增生和坏死等。

2D培养与3D培养

长期以来，一直认为GBM起源于中枢神经系统的成熟的胶质细胞。然而，新的研究结果表明，GBM来源于位于大脑脑室下区的神经干/祖细胞，GBM中存在一种具有干细胞特性的细胞亚群，称为胶质母细胞瘤干细胞（GSCs），它对治疗的耐药性和抗性密切相关。GBM的典型特征之一是广泛浸润周围的脑实质，GBM细胞侵入健康脑组织是肿瘤细胞与由小胶质细胞、巨噬细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞、神经元、胶质和神经祖细胞、周细胞、内皮细胞和细胞外基质（ECM）组成的微环境成分之间复杂相互作用的结果。因此这也使得GBM的体外建模更具挑战性。

近年来，3D类器官由于可以在结构和功能上与亲代组织保持高度的一致性，能够长期培养、稳定遗传等优势成为具有潜力的疾病模型。并成功建立了病人来源的胶质母细胞瘤类器官，且所建立的类器官可以保留胶质母细胞瘤形态学特征——包括对研究各种疗法原发性和后天耐药性极其重要的GFAP和嵌套标记肿瘤微管（TM）等[患者来源肿瘤类器官指导复发胶质母细胞瘤的个性化治疗]。这些都是评估药物反应模型中尤其重要的方面。3D培养技术成功对胶质母细胞瘤进行疾病建模，同时体现出其独有的优势与潜力。

大脑类器官

1) Lancaster和Knoblich从人多能干细胞中生成大脑类器官（COs），成功构建的COs与人类大脑的内源性发育程序非常相似，可作为研究大脑发育早期事件的优秀模型。此外，COs还可用于多种神经系统疾病的建模，如小头畸形和神经恶性肿瘤(GBM和原始神经外胚层肿瘤)等。

2) Bian等人的研究使用转座子和CRISPR/Cas9引入COs的致癌突变，这些肿瘤性脑类器官适合研究肿瘤生物学的侵袭性、药物反应等。

3) Ogawa等人利用CRISPR/Cas9技术，通过同源重组TP53位点构建HRasG12V IRES tdTomato人类胶质瘤COs的肿瘤模型。它诱导COs中细胞的肿瘤转化，使细胞具有侵袭性，并破坏了周围的类器官结构。将转化细胞原位植入免疫缺陷小鼠体内，产生了一种具有间充质特征的高度侵袭性肿瘤。这种侵袭性间充质肿瘤的产生展现了间充质转化和相关肿瘤侵袭的分子介质的特性。

4) Linkous等人构建的大脑器官样胶质瘤（GLICO）模型，通过GSCs和COs共培养让GSC侵袭COs后增殖，形成与患者GBM相似的肿瘤。GLICO模型是极佳的人体外原代GBM建模系统，并可作为一个有前景的高通量药物筛选平台。

热评:

通过人类多能干细胞生成的大脑类器官与大脑的内源性发育程序非常相似，是作为研究大脑早期发育的优秀模型，经过与不同的技术结合，大脑类器官为科研、临床和药物筛选提供了有前景的平台。

患者来源胶质母细胞瘤类器官

许多临床试验结果不良都与肿瘤间和肿瘤内分子异质性有关。建立能够保留肿瘤异质性的GBO能为CBM患者的个体化治疗提供至关重要的策略和经验。

1) Fadi等人用GBM样本生成GBM类器官（GBO）模型，GBO保留了其相应原代肿瘤的诸多关键特征，也再现了其肿瘤间和肿瘤内的异质性。因此GBO可以应用在预测临床治疗和靶向治疗的反应。

2) Yi等人由GBM样本、内皮细胞和脱细胞的脑ECM进行生物打印，位于分隔的癌间质同心环结构中，维持径向氧梯度。这种GBM芯片模型可有助于识别对标准一线治疗耐药的GBM患者的有效治疗。

热评:

肿瘤异质性一直是困扰胶质母细胞瘤临床用药和影响患者预后性的重要因素之一。GBO为GBM提供了一个优秀的模型。而选择患者来源组织直接构建类器官进行药物敏感性测试，可以辅助确立最适合该患者的个体化用药方案，对患者化疗疗效进行评估，辅助继发/实体肿瘤患者指定用药方案。

胎脑聚集物模拟胶质母细胞瘤侵袭

鼠胎脑聚集物（FBA）3D培养系统的建立可以在多个形态学方面模仿发育中的大脑，在GBM细胞系和FBA之间建立的共培养模型中，FBA是验证GBM细胞侵袭的有效模型，肿瘤细胞侵袭FBA的模式与体内环境中看到的模式相似。而另一个研究发现，酪氨酸激酶抑制剂的使用可以减少GBM细胞对FBA的侵袭。

热评:

FBA模型易于生成，具有成本效益，它可以作为一个极好的平台来研究GBM在体外的侵袭，用来揭示GBM侵入正常大脑的机制。

应用基因编辑的类器官疾病模型

为了充分发挥类器官的潜力，研究者将基因编辑应用在类器官模型中来研究疾病环境中的基因功能。CRISPR/Cas9在编码序列中引入或删除碱基对的方法为目标基因设计特定的向导RNA（sgRNA）。通过对DNA的编辑与剪接，按照计划改变目标基因，但它通常会导致功能突变的缺失。它被应用于2D或3D系统，用以诱导靶基因突变。然而，这种方法由于sgRNAs和Cas9蛋白的传递而被反复使用，以引入DNA断裂。通常，在类器官中编辑CRISPR会产生大量野生型和突变细胞，这使结果的解释变得复杂。CRISPR/Cas9技术仍然是一种新方法，该方法的传递和精度也在迅速提高，以提高效率并最小化偏离目标的影响。

热评:

基因编辑方法的很大地改进了包括类器官在内的疾病模型，通过利用CRISPR技术，可以获得特定基因型的类器官。但由于载体系统的传递效率等原因，2D培养更适合基因编辑操作，但类器官的3D结构在与CRISPR技术结合后又可以弥补2D不能解决的问题，为还原更加复杂的疾病开辟道路。

精科亮点

精科医学作为国内类器官技术转化先行者，我们在类器官培养上积累了丰富的经验，涵盖了乳腺癌、肺癌、胃肠癌、肝癌、膀胱癌、前列腺癌、肾癌、甲状腺癌、卵巢癌、宫颈癌、骨肉瘤以及脑肿瘤等多种实体肿瘤。其中基于活检组织的微量建模培养成功率极高，同时可以实现穿刺标本的“一样两检”（类器官药敏＋NGS）。精科拥有自主研发的类器官培养技术，能够有效地延长样本保护期，扩大地域覆盖面。此外我们还和多家医院和科研机构开展科研与临床合作。目前我们已经在类器官建模方法、类器官鉴定、药物敏感性检测方法、类器官共培养等多个重要技术上实现突破，并已建立相关的实验室标准。