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基因检测与类器官"双剑合璧" 构筑临床精准用药理想模型[转载]

  基因检测与类器官"双剑合璧" 构筑临床精准用药理想模型

  2016年,精准医疗被正式列入我国"十三五"规划,而精准用药是精准医疗最为关键的一环.精准用药不但可以有效避免用药安全事故的发生,同时也能够减少国家医保用药的投入.另外一方面,我国经济水平的快速发展,国民健康观念意识也会逐步增强.未来国家层面会更加关注精准用药项目,更加鼓励探索精准用药的临床应用.

  国内用药形势

  虽然业界对精准用药越来越关注,但在癌症和慢性病等临床用药方面,采用传统的用药方式仍然比较普遍,在药品种类、药品用量方面并未实现个性化用药.据我国卫生部药品不良反应监测中心的数据显示:住院病人中,每年约有19.2万人死于药品不良反应,不良反应发生率为10%-20%;家庭用药不良反应需要住院治疗的病人则多达250万人,约占5%(世界卫生组织WHO在发展中国家的调查资料).除药物不反应反外,降压药的药物无效利用率高达50%,降糖药的药物无效利用率为43%,降脂药的无效利用率为38.5%.这些情况都有赖于精准用药来改善.

  据国家癌症中心统计,2014年全国恶性肿瘤估计新发病例数380.4万例,死亡病例229.6万例.为应对目前严峻病情,国际临床上也推出了各种抗肿瘤药物,如:细胞毒类药物、激素类药物、靶向药物、免疫检验点抑制剂、生物反应调节剂及辅助药等.

  但由于肿瘤的高度异质性,采取传统的用药方式似乎并非明确之举.哪怕患的是同一种肿瘤,不同的患者也需要根据其实际情况采用不同的治疗方案,以实现真正意义上的"一人一药,一人一量",尤其是抗肿瘤用药的选择.

  基因检测、类器官"双剑合璧"

  随着测序技术的不断发展,以及测序数据与人工智能的结合,基因检测在用药指导方面已经有了很强的普适性.基因检测在精准用药已经上发挥着其不可或缺的作用,尤其在靶向药物和免疫检查点抑制剂的使用方面.

  但事实上,癌症的精准用药需要实现两大关键性技术的突破:一是通过大量癌症病人基因异常数据的分析,筛选出对药物治疗敏感的药物靶点;二是通过分析大量的能够维持癌细胞体内特征的体外模型,验证药物治疗敏感性靶点.前者随着测序技术的出现,已经成为现实.后者随着癌症体外模型,尤其是最新的"类器官(organoids)"的发展,也将得以实现.

  类器官是一种从病人体内取出细胞,并置于培养皿中培养出的与来源组织和器官高度相似的三维微器官.相比传统的二维培养模型,类器官代表着一种能够模拟整个生物体生理过程的创新技术,具有更接近生理细胞组成和行为、更稳定的基因组、更适合于生物转染和高通量筛选等优势.而与动物模型相比,类器官模型的操作更简单,还能用于研究疾病发生和发展等机理.

  伦敦癌症研究所的Nicola Valeri博士曾表示:"类器官不仅能够模拟癌症的生物学特性,还可以反映临床结果.在之前的研究中有报道患者通过基因检测预测肿瘤对药物会有阳性反应,但在类器官水平和临床水平治疗都失败了.而类器官的应用,有助于提高临床用药的精准性."

 

  基因检测与类器官"双剑合璧"将会起到更好的用药指示效果,避免患者遭受无效抗癌药物的各种副作用.

  类器官在癌症治疗中的进展

  近日,全球顶级科学期刊《Science》(科学)发布了类器官(ORGANOIDS)特刊!

  类器官技术最早于2009年由荷兰的CLEVERS团队发现,团队将从小鼠肠断中分离出来的隐窝细胞在含有EGF、Noggin和R-Spondin的三维人工基底膜中培养,并顺利培养出3D肠组织类器官模型.2011年,SATO等利用该技术在体外成功培养了肠道的腺瘤、化生的Barret上皮以及结肠癌组织,建立了来源于患者的肿瘤类器官(patient - derived organoids,PDO).

  在随后几年里,随着科学家们的深入研究,类器官已经基本可以覆盖所有的实体瘤:如前列腺癌类器官(Cell, 2014)、胃癌类器官(Nature, 2015)、胰腺癌类器官(Cell, 2015)、肝癌类器官(Biomaterials, 2017)、乳腺癌类器官(Cell, 2017)、膀胱癌(Cell, 2018)等.类器官技术还被Nature Method杂志评为2017年生命科学领域的年度技术(Method of the Year 2017).

 

  如何培养肿瘤类器官?

  首先,从患者体内获取肿瘤组织,清洗以防止污染,经消化、分散、过滤、离心后分离出肿瘤细胞.然后,选择合适的生物材料作为三维培养的细胞外基质,通过模拟肿瘤细胞基质环境进行培植.最后,形成体外类器官模型.

  国内的类器官培养技术也正在崛起,创芯国际生物科技已经率先在国内建立了完整的类器官培养技术体系.据统计,创芯实验室培养的类器官覆盖19种常见恶性肿瘤,样本类型从手术标本到活检组织和胸腹水,总体培养成功率高达85%以上.

  类器官远不止于个性化用药

  类器官集多重优势于一身,在临床上为患者进行体外试药只是它的一小部分功能,它更多用于医学研究、生物学研究、新药研发等多个方面.在众多生物技术中,类器官受到越来越多的关注与应用,足以引领生物与医学新方向!

  在临床应用方面,类器官不仅可以用于化疗药、靶向药、新型抗肿瘤抗体药等药物敏感性检测,还可以用于体外放疗敏感性检测,辅助临床治疗决策,有效优化医疗资源配置,节省医保资源.对患者而言,通过类器官药敏检测技术,在疾病的各个阶段,均可快速检测出最适合患者的药物治疗方案,降低药物毒副作用、耐药风险和肿瘤复发几率,在避免"走弯路"的同时减轻患者的经济负担.

  在生物科研方面,类器官具备肿瘤异质性,其基于表达于来源肿瘤组织的基因表达完全一致,堪称"培养皿中的微器官",在疾病模型研究、肿瘤分子研究、再生医学研究、精准医学研究等多方向均有广泛的应用前景.

  在新药研发方面,类器官可作为最佳的体外模型,可大幅度缩短临床前试验与临床试验的周期、降低开发成本与风险,扭转新药开发缺乏临床前大数据的劣势,为新药研发提供最优质的平台.

  类器官研究与应用的挑战

  尽管类器官的研究已经取得了非常显着的进展,但该领域目前仍面临着诸多挑战.一方面,类器官仍不具备人体内的肿瘤微环境,它缺少人体组织中必要的成分,如脉管系统和免疫系统等;另一方面,肿瘤类器官培养技术复杂,不同肿瘤甚至不同亚型需要不同的培养条件,更合理的培养基配方仍需进一步研究.

  虽然类器官技术依然处于起步阶段,但是作为一种工具,类器官培养可实现对现有2D培养方法和动物模型系统的互补,类器官技术在发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生机制、精准医疗以及药物毒性和药效试验等领域发展潜力巨大.

  参考文献:

  Shahbazi, M. N., Siggia, E. D., & Zernicka-Goetz, M. (2019). Self-organization of stem cells into embryos: A window on early mammalian development. Science, 364(6444), 948–951.

  Tuveson, D., & Clevers, H. (2019). Cancer modeling meets human organoid technology. Science, 364(6444), 952–955.

  James Gallagher, 'Mini-tumours' created to battle cancer. BBC News, 22 February 2018.

  Review Article | Published: 25 February 2016

  Aliya Fatehullah, Si Hui Tan & Nick Barker, Organoids as an in vitro model of human development and disease, Nature Cell Biology volume 18, pages 246–254 2016



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