用類器官模擬癌癥中的細胞通信—讓復雜變得簡單

時間：2022/5/9閱讀：550

細胞之間的同型和異型相互作用在多細胞生物中對于維持生理功能至關重要，包括胚胎發(fā)育、神經(jīng)傳遞、傷口愈合和炎癥。單個細胞可以通過多種方式與異質細胞群相互作用，即通過物理接觸、配體-受體相互作用、細胞連接或通過分泌介質。細胞外微環(huán)境的非細胞成分為這一現(xiàn)象增加了另一層復雜性。事實上，細胞外基質（ECM）除了為器官、組織和單個細胞提供機械支持外，還具有許多功能。它的降解和重組調節(jié)細胞增殖、分化、存活和遷移。

細胞通訊過程及其調控在癌癥進展中具有重要意義，癌細胞與各種非癌細胞相互作用和通訊，包括正常上皮細胞、免疫細胞、內皮細胞和成纖維細胞，它們共同構成了腫瘤微環(huán)境（TME）。有證據(jù)表明，細胞間通訊系統(tǒng)的主要作用涉及細胞外囊泡（EVs）介導的生物活性分子，可以極大地改變受體細胞的細胞行為。就目前而言，在對癌癥進行建模時，需要考慮 TME 中發(fā)生的復雜相互作用。

在細胞培養(yǎng)技術和 EVs 分離方法的最新進展的推動下，意大利維羅納大學診斷與公共衛(wèi)生系、醫(yī)學系課題組的一項研究探討了下一代培養(yǎng)系統(tǒng)，特別是類器官，如何成為幫助建模細胞間通信的有前途的工具。最后強調了研究人員在類器官培養(yǎng)方面仍面臨的一些挑戰(zhàn)，包括缺乏標準化的 ECM 和用于支持類器官形成和擴張的培養(yǎng)基。

腫瘤類器官共培養(yǎng)模型與 TME 的相互作用

器官型培養(yǎng)物，如 2D 細胞系，通常僅包含一種代表腫瘤上皮的細胞類型，因此缺乏多細胞代表的 TME 。這一限制可以通過患者來源的腫瘤類器官與多種細胞類型的共培養(yǎng)來部分解決，包括患者來源的免疫細胞或癌癥相關成纖維細胞（CAFs）（圖1 A）。3D 共培養(yǎng)系統(tǒng)提供了一種很有前途的工具來模擬腫瘤細胞與構成 TME 的其他細胞之間的相互作用。

圖1 共培養(yǎng)平臺。

（A）腫瘤類器官以及不同非腫瘤細胞類型的培養(yǎng)物可以從同一患者身上建立，并用于模擬細胞間相互作用。

（B）經(jīng)典的共培養(yǎng)平臺，其中類器官和 CAFs 嵌入同一滴基底膜基質中。

（C）Transwell 共培養(yǎng)系統(tǒng)，其中有機體嵌入在 transwell 插入物頂部的基質中，CAFs 為單層培養(yǎng)。

（D）嵌入基底膜基質中的類器官-CAFs 聚集體。

（E）在基底膜基質預涂層孔上嵌入富含層粘連蛋白的類器官-CAF 聚集體。

（F）類器官和外周血淋巴細胞共培養(yǎng)，類器官嵌入 Geltrex 基質中，而淋巴細胞則懸浮在培養(yǎng)基中。

（G）空氣-液體界面共培養(yǎng)系統(tǒng)、患者來源的巨噬細胞、T 細胞、CAFs和癌細胞嵌入在 I 型膠原蛋白中。

與 CAFs 的共培養(yǎng)

CAFs 通過多種機制影響腫瘤的生長和轉移。通過基質合成和重塑，它們可以調節(jié) ECM 剛度和缺氧，從而促進腫瘤細胞的遷移和侵襲。通過分泌分子，例如生長因子、細胞因子、趨化因子和 microRNAs（miRNAs），CAFs 支持腫瘤生長并誘導對治療的耐藥性。

胰腺癌類器官例證了一種可以用來模擬癌細胞和 CAFs 之間相互作用的培養(yǎng)系統(tǒng)。Ohlund 等人開發(fā)了一種共培養(yǎng)系統(tǒng)，能夠再現(xiàn)在患者中觀察到的結締組織形成反應的一些特征。他們證明了兩個 CAFs 亞群的存在，它們在腫瘤組織中存在差異并顯示出不同的表型。這些群體被定義為肌成纖維細胞（myCAFs），靠近腫瘤細胞并以高水平的 α-SMA 為特征，以及作為促炎性 CAFs（iCAFs），其位于遠離癌細胞且具有 α-SMA 低表達和 IL-6 的高表達。

使用兩種不同類型的共培養(yǎng)，他們證明了使用體外系統(tǒng)建模 CAFs 亞型的可能性。當癌細胞和成纖維細胞一起嵌入基底膜基質中時（圖1 B），這種密切接觸誘導靜態(tài) PSCs 的激活，并獲得 myCAFs 表型。當兩種細胞類型在物理上分離（圖1 C），但共享生長培養(yǎng)基時，出現(xiàn)了 iCAFs 表型。兩種共培養(yǎng)方法獲得的結果支持了 CAFs 腫瘤內異質性的概念，該數(shù)據(jù)確定了第三種亞型，稱為抗原呈遞 CAFs（apCAFs），其特征在于表達 MHC II 類相關基因。

另一種共培養(yǎng)類型已被用來研究 CAFs 在支持胰腺癌類器官生長中的作用。在這項研究中，胰腺類器官和 CAFs 被解離成單個細胞，然后聚集在基質凝膠/膠原混合物中轉移（圖1 D）。與這些發(fā)現(xiàn)一致，前列腺類器官和基質的 3D 共培養(yǎng)模型增強了類器官的形成，并誘導了類器官的形態(tài)從單一培養(yǎng)中的球形到共培養(yǎng)中的分支腺泡結構的變化，更類似于在體內觀察到的結構。

癌癥相關成纖維細胞在乳腺癌中也是一種豐富的非腫瘤細胞類型，它們與腫瘤進展和化療和靶向治療的抗性有關。已采用 3D 共培養(yǎng)方法來研究與 CAFs 相互作用對乳腺癌細胞基因表達和細胞代謝改變的影響。用一層薄薄的基底膜基質預涂板后，兩種細胞類型在富含層粘連蛋白的 ECM 上聚集和培養(yǎng)（圖1 E）。該方法揭示了 CAFs 在減弱拉帕替尼（一種用于治療乳腺癌的酪氨酸激酶抑制劑）在上皮細胞中積累的作用。

與免疫細胞的共培養(yǎng)

免疫細胞在 TME 中具有相反的功能。先天性和適應性免疫系統(tǒng)都對 TME 產(chǎn)生影響，反過來又受到 TME 的影響。巨噬細胞是先天免疫系統(tǒng)吞噬細胞，具有促腫瘤或抗腫瘤活性。適應性免疫細胞，如 CD8+ T 細胞，也受到 TME 的影響。CD8+ T 細胞是抗腫瘤免疫的主要參與者。

腫瘤類器官和外周血淋巴細胞的共培養(yǎng)（圖1 F）允許腫瘤反應性 T 細胞擴增，這些 T 細胞能夠殺死腫瘤類器官，但不能殺死來自健康組織的類器官。該平臺允許研究腫瘤和 T 細胞的相互作用，并有可能以個性化的方式揭示對免疫治療的敏感性或抗性的決定因素。

此外，一種*的基于 ALI（氣液交界面）系統(tǒng)培養(yǎng)的共培養(yǎng)方法允許患者衍生的類器官和腫瘤浸潤淋巴細胞的增殖。在這個系統(tǒng)中，切碎的腫瘤組織被重新懸浮在 I 型膠原蛋白中，并鋪在預涂有膠原蛋白基質的可滲透插入物上（圖1 G）。ALI 培養(yǎng)系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)可以保存原生基質種群，包括成纖維細胞、巨噬細胞和淋巴細胞，長達 2 個月。

類器官系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)的單層培養(yǎng)物相比，類器官是與起源組織具有更高相似度的體外系統(tǒng)。通過共培養(yǎng)系統(tǒng)整合不同類型的細胞可能有助于模擬體內觀察到的細胞間相互作用。然而，除了系統(tǒng)提供的明顯優(yōu)勢之外，還有一些挑戰(zhàn)需要解決。

首先，上皮類器官培養(yǎng)物通常需要在允許形成 3D 結構并維持其增殖的基質中生長。常用的基質是生物衍生材料，例如鼠尾膠原蛋白I 和基底膜基質。動物源性基質在成分和結構方面存在批次間差異，不適合臨床應用。

類器官系統(tǒng)的另一個關鍵方面是優(yōu)化培養(yǎng)基的配方，該培養(yǎng)基包含類器官的建立和長期培養(yǎng)所必需的生態(tài)因子。

總之，該研究討論了使用類器官來模擬癌癥和非癌細胞之間相互作用的潛力，以揭示與癌癥發(fā)生和進展有關的生物學機制，這可能為這些疾病確定新的干預策略。

參考文獻：Fiorini E, Veghini L, Corbo V. Modeling Cell Communication in Cancer With Organoids: Making the Complex Simple. Front Cell Dev Biol. 2020 Mar 18;8:166. doi: 10.3389/fcell.2020.00166. PMID: 32258040; PMCID: PMC7094029.

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻

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