肺癌类器官培养研究概述

2023年是类器官被《Science》杂志评为年度十大技术的10周年。10年后类器官技术发展迅猛，犹如一颗璀璨的明珠，不断的为生命科学研究揭示新的奥秘，推动生物医学领域不断前行。肺类器官培养条件也在不断完善，在基础和临床研究中应用愈加广泛，如基于肺癌类器官的药物敏感性试验能预测晚期肺癌患者对治疗的临床反应，为药物开发和精准治疗提供支持。
  类器官是在体外培养的简化、微型器官，能够模拟器官的关键功能、结构和生物学复杂性，具有自我更新和分化能力。类器官对真实器官高度模拟，被应用于药物发现、开发、精准诊疗和再生医学研究。目前科学家已能够制备类似于大脑、肾脏、肺、肠等类器官。尤其近年来对肺部发育及发病机理研究的需要，肺类器官更是研究不断。

科研人员通过直接分离患者或疾病模型体内的肺泡干细胞后培养成类器官，构建合适的疾病模型。近期《Cell Stem Cell》发表了剑桥大学研究人员的研究结果，利用人胎儿肺组织构建肺泡类器官，以确定人类发育、疾病的细胞和分子调控机制。《Nature》背靠背曾发表两篇关于人肺干祖细胞研究文章，通过类器官体外培养证明新细胞谱系的生态轨道，为理解呼吸疾病的病理改变、体外疾病建模及药物研发提供更多理论基础和应用的可能性。 
  建立肺癌类器官需要考虑多种信号通路。如激活Wnt/β-catenin通路可维持干细胞的干性，而激活TGF-β/Smad通路则促进干细胞分化。P38 MAPK信号通路可促进细胞死亡，同样ROCK信号通路也会造成细胞收缩、膜裂解、核分裂以及凋亡细胞破碎成凋亡体。因此在肺类器官构建过程会加入相应的激动剂或拮抗剂。如Wna3A增强Wnt/β-catenin通路，Noggin抑制BMP，抑制细胞分化。SB202190通过抑制p38 MAPK通路抑制细胞死亡。 Noggin作为骨形态发生蛋白（BMPs）的抑制剂，促进Wnt/β-catenin信号传导，维持干细胞干性及其增殖，常用于肺类器官的培养。成纤维细胞因子家族FGF及其受体控制细胞的基本过程，如存活、增殖、分化、器官形成和新陈代谢。在肺类器官培养中会使用FGF2、FGF4、FGF7和FGF10，FGF7和FGF10主要用于诱导器官组织分枝和促进向远端肺系分化。而FGF2和FGF4则用于维持肺干细胞的干性和保持器官组织的存活。EGF属于生长因子家族，能促进许多组织的增殖。肝细胞生长因子（HGF）主要添加在肠道和肝脏类器官培养基中，也用于肺类器官培养。

细胞因子	功能
RSPO1	促进Wnt/3-catenin信号传导，维持干细胞干性及其增殖
Noggin	BMPs的抑制剂，维持干细胞干性
FGF2	维持干细胞干性和类器官存活
FGF4	维持干细胞干性和类器官存活
FGF7	促进肺干细胞向远端肺系的分化，诱导类器官分支生长
FGF10	促进肺干细胞向远端肺系的分化，诱导类器官分支生长
EGF	促进类器官增殖
HGF	维持干细胞干性并促进其生长

不同细胞因子在肺类器官培养过程中使用的浓度不一样。在大多数研究中，包括来自结肠癌、肺癌、前列腺癌、胰腺癌等类器官，EGF的浓度都是50ng/mL，但在乳腺癌类器官培养中，EGF浓度超过5ng/mL会导致器官组织通过BME逐渐下沉并失去三维组织。因此，根据类器官类型调节EGF的浓度值得关注。

RSPO1	Noggin	FGF2	FGF7	FGF10
10%*	10%*	—	25	100
500	100	—	25	100
10%*	10%*	—	6.25	25
10%*	10%*	—	25	100
500	100	—	25	20
20%*	100	—	25	100
500	100	—	25	100
500	100	—	100	100
*	*	1	—	20
10%*	100	—	—	—
500	100	10	—	10
250	100	1	—	20
—	100	—	—	100
—	—	—	—	—

1. Lim K, et al. Organoid modeling of human fetal lung alveolar development reveals mechanisms of cell fate patterning and neonatal respiratory disease. Cell Stem Cell, 2023. https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.11.013
2. Basil, et al. Human distal airways contain a multipotent secretory cell that can regenerate alveoli. Nature, 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04552-0
3. Kadur, et al. Human distal lung maps and lineage hierarchies reveal a bipotent progenitor. Nature, 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04541-3
4. Hao-chuan Ma, et al. Lung cancer organoids, a promising model still with long way to go. Critical Reviews in Oncology/Hematology, 2022. https://doi.org/10.1016/j.critrevonc.2022.103610
5. Hu, Y., et al. Lung cancer organoids analyzed on microwell arrays predict drug responses of patients within a week. Nature communications, 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22676-1
6. Qu, J., et al. Tumor organoids: synergistic applications, current challenges, and future prospects in cancer therapy. Cancer communications (London, England), 2021. https://doi.org/10.1002/cac2.12224