传统的 2D 细胞培养系统长期以来一直用于癌症研究。但如今，研究人员开始将目光转向3D细胞培养，因为该技术更准确地模拟了原始组织结构。众所周知，原始组织结构会影响关键的细胞过程，包括细胞信号传导、细胞增殖、细胞活力和药物反应。通过构建更具生理相关性的模型，3D细胞培养可以缩小体外模型与体内模型之间的差距。
尽管 3D 体外培养系统有多种选择，但其实选择并不如此简单。这很大程度上取决于生物学因素，例如了解疾病途径、研究作用机制或预测患者反应。尽管球状体以往一直是最常用的3D模型，但如今出现了更多患者相关的选项，例如类器官。
本文探讨了球状体模型与类器官模型之间的主要差异，以便研究人员能够根据实际需求选择最合适的模型。
类器官与球状体的主要差异
3D 结构形成的机制。球状体主要通过细胞间粘附（即细胞聚集体）形成。生长培养物的物理/化学性质促使细胞聚集在一起形成3D结构。可以由永生化细胞系、原代细胞或人体组织的片段构建球状体。相比之下，类器官是利用干细胞的自组织特性而形成的，干细胞在体外自我更新和分化，产生包含多种分化和生理功能细胞谱系的3D结构。因此，类器官更具有生理相关性，其产生的数据具有更大的体内转化潜力,因此更适合用于抗癌药物的发现研究。类器官
已被证明具有高度的临床意义。可以直接在原发性肿瘤组织（即患者来源类器官（PDO））或患者来源异种移植（PDX）类器官（PDXO）的基础上构建肿瘤类器官。
图1.构建患者来源的类器官：一种综合方法
3D 结构的细胞组成。类器官具有多细胞特性，忠实重现了原始肿瘤（或器官）的复杂性。这是因为类器官是由干细胞产生的，并分化出多种下游和特化子代。由于球状体通常采用单层培养方法，因此通常无法重现体内肿瘤的多细胞特性。这是因为肿瘤球状体的培养条件与 2D 细胞系相似，选择大量具有高复制潜力的高分化细胞，这些细胞一般更有韧性，更适应在体外生长。这些特征会影响药物反应并产生难以转化为临床的数据。从抗癌药物发现的角度来看，与肿瘤球状体相比，类器官的多细胞特性意味着其更具有患者相关性，并且可以预测患者对药物的反应。
培养稳健性。使用Hubrecht类器官技术（HUB）方案开发的肿瘤类器官可以保留肿瘤干细胞（CSC）成分，因此可以长期繁殖，甚至可以冻存复苏（供后续研究使用），即使经过多次传代仍能够将原代肿瘤的表型和基因型特征（包括结构和细胞异质性和体细胞突变）保留下来。
尽管肿瘤球状体被用于体外药物筛选，但筛选效率存在差异，且 CSC 水平不一。另外，还有文献报道了球状体的反应曲线随时间的变化，表明其稳定性不如类器官。源自原代细胞的肿瘤球状体可以重现其原代肿瘤组织的基因组和多细胞特征。然而，它们在培养中的寿命非常有限，因此被认为是一次性解决方案；其包含高比例的分化细胞，因此会迅速老化。此外，从某些癌症类型中提取原代细胞仍然极具挑战性，典型的培养条件通常会选择最能适应体外环境的细胞。
数据质量。如果使用不同细胞（例如原代细胞）的多细胞混合物来构建肿瘤球状体，采用传统检测方法所得检测信号的信噪比高于包含纯上皮细胞区室的类器官。肿瘤球状体（尤其是源自永生化细胞系的球状体）的显著优势之一是能够产生大量可用于比较分析的历史数据。
2019年，冠科生物与 HUB 建立战略合作伙伴关系，成为 HUB 临床前抗癌药物开发和验证技术的独家供应商。
利用类器官与球状体开展抗癌药物发现研究
肿瘤来源的类器官已被广泛研究用于研发抗癌药物，应用范围包括识别靶标、评估候选药物的疗效以及研究新的组合策略。体外类器官模型备受青睐的原因在于相较于体内 PDX 模型，它们更具成本效益，而且能够让研究人员尽早做出决策，而不用等待后期的体内模型数据。而且，体外类器官模型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，可以极其细致地重现复杂细胞系统（包括多细胞结构）的细胞生理学特征。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。
但是，相较于球状体，类器官在药物开发应用中仍存在一些重要差异。如前所述，直接从患者的原代细胞中提取的球状体不易扩展，并且随着研究的进展，样本可能会变得有限。理想情况下应使用新鲜的组织样本，有利于获得最佳的数据转化。如果新鲜样本不足，可以使用生物样本库中的冻存样本。
尽管提取患者肿瘤组织对于 PDO 开发而言是一项挑战，但此种类器官可用于构建PDX模型，再通过该模型构建 PDXO，为构建肿瘤类器官提供了一种高产出率的替代选项。该思路的依据是 PDXO 已被证明可以保留 PDO 的临床相关特征，同时为大规模筛选带来更多的操作简便性。例如，冠科生物目前开发了OrganoidBaseTM，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的模型）。通过利用现有的具备明确特征的 PDX 模型库生成大型 PDXO 库，从而充分重现在患者群体的异质性和多样性。
使用肿瘤来源的球状体，并不一定能够将体外模型与匹配的体内模型配对，从而侧面反映了类器官在药物发现应用中的另一项优势。此外，类器官模型还可以从患者个体的健康组织和患病组织提取，因而成为可预测药物筛选反应的有力工具。在Herpers等人（2022）开展的研究中，基于异质结直肠癌 PDO 生物样本库和配对的健康结肠粘膜样本，进行了双靶向双特异性抗体的大规模功能筛选，从而鉴定出对上皮肿瘤有效的治疗性 EGFR×LGR5 双特异性抗体。
结论
3D 细胞培养系统可以更好地体现体内细胞微环境，这在确定细胞对外源因子（例如药物）的反应中发挥着重要作用。类器官和球状体是两种最突出的 3D 细胞结构，了解两个系统之间的关键差异是选择合适模型的必要条件。
球状体是更传统的 3D 系统，与 2D 培养物相比能更好地体现体内特征，但 HUB 类器官更忠实地反映了人类原代肿瘤细胞的复杂性，并显示出较高的患者相关性和数据转化性。类器官能够适应长期培养，即使经过多次传代和冷冻保存后，仍然能保持稳定的表型和基因型。它们在药物发现和开发领域的诸多重要应用中均展现出稳健性和重现性。球状体适合的应用领域非常多，但与此同时，研究人员必须了解现有的临床前体外肿瘤模型的优点和局限性，这样才能选择最符合其需求的模型。
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