众所周知，抗癌药物的药物损耗率非常高。事实上，最终仅有约5%的临床前开发的化合物获批用于临床。对更多临床相关的临床前模型的需求，已被确定为可通过在选择药物进入临床时做出更好的决定来降低这种损耗率的领域之一。
Hubrecht Organoid Technology (HUB) ）3D 体外肿瘤类器官准确地模拟其原始肿瘤的基因组学和遗传特征，这些模型在药物发现中发挥着越来越重要的作用，特别是在识别具有改善转化潜力的抗癌药物方面。在本文中，我们探讨了与 2D 细胞系相比，用于癌症药物筛选的 3D 类器官模型如何成为一种可靠的预测工具。
3D 体外类器官
3D 体外类器官是强大的预测工具，用于研究正常的发育过程和疾病的机制。简而言之，3D 体外类器官是由成人干细胞生长出的镜下自组织 3D 结构，这些“微型器官”具有原始来源的关键结构性和功能性特性。目前已制定经优化的HUB方案，用于开发正常和患病组织（包括肿瘤组织）模型（参见此处，查看 HUB 肿瘤类器官方面的深入讨论）。大量研究数据表明（例如，参见此处和此处），类器官是首个临床相关的 3D 体外模型，显示出以下几点：
- 长期培养和冷冻保存后的基因组和表型稳定性
- 增强的临床预测性
- 相对于体内模型的易扩展性
2019年，冠科生物与 HUB 建立了战略性合作伙伴关系 ，成为 HUB 临床前癌症药物开发和验证技术的独家供应商。
生物样本库实现了“在培养皿中进行临床试验”的目标
已开发活体类器官生物样本库，包含许多实体肿瘤类型（具有匹配的健康类器官）。冠科生物目前开发了OrganoidBase™，这是一个可进行广泛搜索的生物样本库，由近 350个肿瘤类器官模型组成，这些模型来自其PDX模型（即患者来源异种移植类器官[PDXO]）库，其中包含与药物反应相关的组织病理学、IC50、基因组和转录组分析数据等相关信息，以及另外 200多个来自原发性患者样本（即患者来源类器官[PDO]）的模型。
这些模型具有来自二十多种器官和组织类型之多个模型的不同适应症。癌症是高异质性疾病，它不仅在患有同类癌症的不同患者之间存在巨大差异（肿瘤间异质性），即便同一患者身上的癌症也有所不同（肿瘤内异质性）。为了开发有效的候选药物，人们需要深入了解与患者相关的临床前预测性模型中的肿瘤异质性，因为该模型可反映癌症在细胞和人群层面的多样性。
生物样本库可捕捉患者群体的异质性，支持大规模研究，并确保重复研究的可用性。简而言之，生物样本库将临床试验引进实验室（称为“培养皿中的临床试验”），并允许研究人员识别具有反应的预测性生物标志物（基于基因组分析）、结合药物策略（例如，多剂量比、组合效应）并使用健康对照对治疗窗进行测试。
3D 类器官模型与2D细胞系培养的益处
大多数高通量药物筛选使用易于建立和操作的 2D 细胞系进行，非常适合为早期阶段的决策提供快速结果。尽管这些培养物的生理相关性并不理想，但它们对癌症生物学做出了重大贡献，在涉及到靶点验证和更基本的生物学问题如确定细胞信号通路时，它们仍然别具价值。但是，当涉及到告知临床反应时，这些模型并未达最佳标准。
越来越多的 3D 体外类器官模型被用于连接传统 2D 细胞系和体内模型。与 2D 细胞系相比，3D 类器官具有促进相关细胞间相互作用和细胞-基质连接的结构，拥有不同的营养供应区域，氧气的浓度梯度，以及暴露于不同的环境压力。总之，这些复杂的相互作用和特征影响着各种细胞过程，包括增殖、药物反应、信号传导、分化和生存。但是，与体内模型相比，3D 类器官仍然缺乏体内模型所提供的一些生理相关条件。
与 2D 细胞系一样，3D 类器官可进行大规模的药物筛选，而且相对于体内模型，它们在开发和长期维护方面更具成本效益，而且可以尽早做出决策，而不用等待后期的体内模型数据。此外，由于类器官保留了原始肿瘤的许多关键特征，因此可以生成匹配的体内模型，提供从体外研究到基于动物的验证研究的无缝过渡。
药物筛选的灵活设置
预测性 3D 类器官模型可用于典型的肿瘤学相关体外药物筛选试验，包括：
- 高通量筛选：肿瘤类器官可在 384 孔板中生长，用于大规模的文库筛选，并评价疗效、毒性和联合用药效应。研究人员可利用多种类器官模型，如来自相匹配健康组织、不同肿瘤类型和/或不同遗传背景。此外，工程技术（如 CRISPR、转导）也可用于生成具有特殊功能的模型，如荧光标记。
- 用于免疫治疗应用的共培养物：该应用越来越受关注，可在体外使用肿瘤类器官与各种人类免疫细胞类型（包括 TIL、CAR-T 或特定的肿瘤微环境[TME]成分）的共培养物来测试新型免疫疗法。
与传统的 2D 细胞系的高通量筛选一样，3D 类器官适用于标准体外试验，如 IC50 测量和发光细胞活力（如CTG）读数。此外，将患者相关 3D 体外肿瘤类器官与创新性高内涵成像（HCI）和分析（HCA）平台相结合，可以为复杂的细胞系统生成极其详细的细胞生理学特征，这包括类器官和共培养物的多细胞结构，例如在上文所述免疫治疗效果研究中将肿瘤类器官与免疫细胞一起培养。与固定终点测定（如 CTG 或细胞核计数法）相比，这种有力结合显著扩展了由细胞测定获得的信息量。
使用 HCI 与表型和形态测量可对特定化合物的机制进行更深入的了解，包括：
- 类器官和细胞核计数、大小、体积、形状
- 坏死和凋亡标记物
- 上皮细胞的构成和厚度
- 极性和肿胀
- 内化
- 细胞周期
- 治疗/靶点定位
- IC50，曲线下面积（AUC）
结论
癌症药物的发现和开发是一项成本高、风险大的工作。尽管简单的 2D 细胞系培养在药物发现中仍有价值，但具有 2D 细胞系扩展性和体内模型预测性的临床相关 3D 类器官模型越来越备受关注。用于癌症药物筛选的 3D 类器官模型是一种可靠的预测工具，它们可准确模拟原始肿瘤的基因组学、形态学和病理生理学特征。即使在长期培养和冻存之后，3D 类器官模型仍具有基因和表型稳定性，而且它们适合于传统的体外药物筛选试验和免疫治疗应用的共培养物。
请访问冠科生物的用于肿瘤药物开发的类器官网站，详细了解我们如何帮助研究人员推动其药物发现和开发项目。
