类器官技术日新月异

生信技能树

发布于 2024-04-19 17:03:53

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发布于 2024-04-19 17:03:53

六年前我组建过一个【生信文献200篇】活动，因为自己课题组背景偏好性导致大家一起读了很多肿瘤领域的类器官文献，如下所示：

但是六年前的单细胞转录组并不流行，因为没有10x这样的商业化的仪器，所以那个时候的在每个癌症领域的类器官CNS文章都是做几十个或者上百个病人的类器官培养后，做常规的转录组和肿瘤外显子数据，来说明类器官能非常好的维持其来源的原位肿瘤，这样就说明了类器官可以成为肿瘤病人的精准医疗替身！过去的五年，虽然说单细胞转录组的大行其道，但是在类器官领域的应用仍然是很有限，单细胞时代到了仅仅是2019之后的类器官研究继续“复制粘贴一波”。但是我看到的这些肿瘤领域的类器官技术的单细胞研究，仍然是说明了类器官可以成为肿瘤病人的精准医疗替身，因为从原位肿瘤样品培养后的类器官其实是富集到了恶性肿瘤上皮细胞，这样就导致了它早期的“让人诟病”的缺点，丢失了肿瘤微环境。因为openai的chatGPT在中国大陆很难被直接访问，所以我测试了一下最新的国内大模型kimi的效果，让它整理了一下前类器官面临的主要缺陷：

技术操作的复杂性和对样本的要求：建立胃癌类器官需要高度的技术专业性和操作经验，这包括从患者肿瘤组织中分离和培养类器官。此外，可用的肿瘤样本数量有限，这可能限制了研究的广度和深度。
肿瘤微环境的模拟限制：尽管可以将肿瘤微环境中的细胞与癌细胞共培养，但这种共培养往往是短期的。实现基质细胞与癌细胞长期共培养是一个挑战，这对于更好地理解肿瘤的生物学行为和微环境间的相互作用至关重要。
培养条件的复杂性：类器官的培养依赖于多种细胞因子和生长因子，这些因子的复杂组合和优化对于维持类器官的生长和功能至关重要。这些因子的添加不仅增加了培养的复杂性，也可能导致成本的增加和可重复性的降低。
异质性和可重复性问题：类器官在大小、形状和细胞组成方面通常是异质的，这种异质性可能导致实验结果的不一致性，影响了类器官在疾病建模和药物发现中的可靠性和有效性。
结构和功能的限制：目前的类器官模型通常无法完全模拟目标器官的全部功能，例如肝脏类器官模型缺少功能性胆管网络，这限制了其在模拟复杂生理过程和疾病状态方面的应用。
基质胶（Matrigel）的影响：类器官培养常常依赖于动物来源的Matrigel，其成分的不确定性可能引入变异性，影响类器官的一致性和临床应用潜力。

这些大模型确实是厉害，很快就整理好了类器官技术的前因后果。它是一种革命性的3D细胞培养方法，它允许科学家在体外构建微型的、类似器官结构的组织。这些类器官是从干细胞或原代细胞中培养出来的，能够模拟真实器官的某些关键功能和特性。在肿瘤研究领域，类器官技术为癌症的建模、药物筛选和个性化医疗提供了新的工具和方法。

优点：

更好的疾病模型：与传统的2D细胞培养相比，类器官技术能够更好地模拟肿瘤的微环境和组织结构，提供更为真实的疾病模型。
遗传信息保真性：类器官能够保留原代肿瘤的遗传和表型特征，包括基因突变和表型多样性，有助于研究肿瘤的异质性。
药物筛选和个性化医疗：类器官可用于测试不同药物对特定肿瘤的反应，有助于发现新的药物靶点和制定个性化治疗方案。
研究肿瘤微环境：类器官可以与免疫细胞或其他细胞类型共培养，模拟肿瘤微环境，研究肿瘤与周围细胞的相互作用。
减少对动物模型的依赖：类器官技术减少了对动物模型的依赖，有助于提高研究的效率和伦理性。

缺点：

技术挑战：类器官的建立和维护需要复杂的技术，包括精确的细胞培养条件和高质量的干细胞来源。
血管化和免疫系统的缺乏：目前的类器官模型通常缺乏血管化结构和完整的免疫系统，这限制了它们在模拟肿瘤生长和转移方面的应用。
成本和时间：类器官的培养成本较高，且培养周期较长，这可能限制其在高通量筛选中的应用。
标准化问题：不同实验室之间类器官的培养条件和协议可能存在差异，这影响了结果的可重复性和比较性。
临床相关性：尽管类器官在模拟肿瘤方面取得了进展，但它们在临床应用中的相关性和有效性仍需进一步验证。

总的来说，类器官技术在肿瘤研究领域具有巨大的潜力，但仍面临一些技术和应用上的挑战。随着研究的深入和技术的进步，这些缺点有望得到克服，类器官技术将在癌症研究和治疗中发挥更大的作用。

但是大模型仅仅是科普性的整理，它没办法深入到技术细节，而且类器官技术领域正在快速发展，涌现出多种新技术，这些技术旨在提高类器官的生理相关性、稳定性和应用范围。继续让大模型帮我整理了一些值得关注的类器官新技术方向：

血管化类器官：为了解决类器官缺乏血管网络的问题，研究人员正在开发新技术，通过共培养内皮细胞和周细胞来构建具有功能性血管的类器官。这些血管化类器官能够更好地模拟真实器官的微环境，并为研究肿瘤生长和转移提供更准确的模型。
免疫类器官：通过将免疫细胞如T细胞、树突状细胞等与类器官共培养，研究人员正在构建能够模拟肿瘤微环境中免疫反应的免疫类器官。这些模型有助于研究肿瘤免疫逃逸机制以及开发新的免疫治疗策略。
类器官芯片（Organ-on-a-chip）：这是一种将类器官与微流控技术结合的方法，可以在芯片上构建多个器官的微缩模型。这些类器官芯片可以模拟器官间的相互作用和整个生物体的生理过程，为药物筛选和毒理学研究提供了新平台。
3D生物打印：利用3D打印技术，研究人员可以精确地构建复杂的类器官结构，包括多种细胞类型和细胞外基质。这种方法有助于研究肿瘤微环境的复杂性，并为个性化医疗提供定制化的类器官模型。
基因编辑技术：CRISPR/Cas9等基因编辑工具的应用使得研究人员能够在类器官中精确地模拟肿瘤的遗传变异，从而更好地研究肿瘤的发生和发展机制。
悬浮培养技术：传统的类器官培养依赖于基质胶，但悬浮培养技术允许类器官在无基质的条件下生长，这有助于提高类器官的稳定性和可重复性。
患者源性类器官（PDO）：从患者肿瘤样本中直接构建的类器官，能够高度模拟患者的肿瘤特征，为个性化医疗和精准治疗提供了强有力的工具。

也就是说大模型仍然是泛泛而谈，没办法继续到技术细节，实际上真正的技术细节和进展，仍然是需要自己追踪学术界的最新文献：

肿瘤样细胞簇(PTCs)模型
微小类器官球体（MOS）
3D-organoid培养技术

传统类器官最新文献

2024 年 4 月 8 日，北京大学张宁、吴健民及河南省肿瘤医院（郑州大学附属肿瘤医院）张建功等研究团队在 Cancer Cell（IF=50.3）发表研究论文「Pharmacogenomic profiling of intra-tumor heterogeneity using a large organoid biobank of liver cancer」。该研究建立了一个大型 PLC 器官生物样本库，由来自 144 例患者的 399 个肿瘤类器官组成。它概括了亲代肿瘤的组织病理学和基因组图谱，并且可以可靠地用于药物敏感性筛选。揭示了肝癌器官生物样本的肿瘤内和肿瘤间的异质性，并发现预测药物反应的生物标志物。

传统类器官最新文献

肿瘤样细胞簇(PTCs)最新文献

这个技术基本上就是北京大学未来技术学院席建忠团队和他们的合作伙伴在主推啦，最新文献是：2024年4月8日，北京大学席建忠、叶步青及上海交通大学姜丽岩共同通讯在Cell Stem Cell 在线发表题为“Patient-derived tumor-like cell clusters for personalized chemo- and immunotherapies in non-small cell lung cancer”的研究论文，该研究建立了283个非小细胞肺癌(NSCLC)患者来源的肿瘤样细胞簇(PTCs)模型，并以此模型为基础开展化疗药物及免疫药物敏感性检测，经临床双盲试验结果验证，PTCs预测药物疗效的准确率为89%以上。

非小细胞肺癌(NSCLC)患者来源的肿瘤样细胞簇(PTCs)模型

同样是需要多组学以及单细胞技术来量化肿瘤类器官培养前后的差异：

微小类器官球体（MOS）最新文献

微小类器官球体（Micro-organospheres, MOS）是一种新兴的类器官技术，它们是从患者样本中快速生成的小型3D细胞结构，用于模拟肿瘤微环境，并在精准肿瘤学中展现出潜力。我搜索了一下，最新文献是：2022的文章：《Patient-derived micro-organospheres enable clinical precision oncology》