类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤代谢重编程调控机制研究

一、类器官模型：肿瘤微环境与代谢研究的“活体模型”演讲人CONTENTS类器官模型：肿瘤微环境与代谢研究的“活体模型”肿瘤微环境：代谢重编程的“调控者”代谢重编程：肿瘤微环境重塑的“反向调控”类器官模型在肿瘤微环境-代谢研究中的应用与挑战结论与展望目录类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤代谢重编程调控机制研究类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤代谢重编程调控机制研究引言肿瘤作为一类高度复杂的异质性疾病，其发生发展与肿瘤细胞自身遗传变异及微环境的动态重塑密切相关。近年来，“肿瘤微环境（TumorMicroenvironment,TME）”与“肿瘤代谢重编程（TumorMetabolicReprogramming）”已成为肿瘤研究领域的两大核心方向——前者为肿瘤细胞提供了生存、增殖、侵袭的“土壤”，后者则是肿瘤细胞适应恶劣微环境、维持恶性表型的“能量引擎”。然而，传统研究模型（如二维细胞系、动物模型）在模拟人体肿瘤复杂性方面存在明显局限：二维细胞系缺乏组织结构和细胞间相互作用，动物模型则因种属差异难以完全recapitulate人类肿瘤的生物学特性。类器官（Organoid）作为近年崛起的体外三维培养模型，通过模拟体内器官的细胞组成、空间结构和功能特征，为研究肿瘤微环境与代谢重编程的调控机制提供了前所未有的理想平台。在我的研究经历中，当第一次在显微镜下观察到由患者肿瘤组织构建的类器官自发形成类似肿瘤实质-间质的结构时，我深刻意识到这一模型不仅能够重现肿瘤的异质性，更能动态揭示微环境与代谢网络之间的复杂对话。本文将基于类器官模型，系统阐述肿瘤微环境的组成与功能、代谢重编程的核心特征，以及两者通过信号分子、代谢物等媒介形成的交互调控网络，并探讨类器官在该研究领域的应用前景与挑战。01类器官模型：肿瘤微环境与代谢研究的“活体模型”类器官的定义及其在肿瘤研究中的优势类器官是指在体外三维培养条件下，由干细胞或祖细胞自组织形成的、具有与来源器官相似结构和功能的微型“器官”。肿瘤类器官（TumorOrganoid,TO）则来源于肿瘤组织或诱导多能干细胞（iPSC），能够保留原发肿瘤的遗传背景、细胞组成和组织架构。与传统模型相比，类器官的核心优势在于：1.高度模拟体内微环境：类器官中的细胞通过细胞间黏附、旁分泌等相互作用，形成类似实体瘤的“腺泡状”或“巢状”结构，并自发产生细胞外基质（ECM），为研究细胞-ECM相互作用提供基础。2.保留肿瘤异质性：肿瘤类器官能够包含原发肿瘤中的主要细胞亚群（如肿瘤干细胞、增殖期细胞、分化细胞等），甚至重现空间异质性（如中心缺氧区、边缘增殖区）。3.可扩展性与临床相关性：类器官可在体外长期传代并冻存，同时可从患者活检样本快类器官的定义及其在肿瘤研究中的优势速构建，为个体化治疗和药物筛选提供了“患者替身”模型。在我的实验室中，我们曾构建超过50例结直肠癌患者的类器官库，通过全外显子测序证实其遗传变异与原发肿瘤的一致性高达92%，这为后续研究特定基因突变对微环境与代谢的影响奠定了可靠基础。类器官构建肿瘤微环境的技术策略肿瘤微环境并非单一细胞群体，而是由肿瘤细胞、成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞、ECM及多种可溶性因子构成的复杂生态系统。类器官模型可通过以下策略模拟多组分微环境：1.“肿瘤细胞-基质细胞”共培养系统：将肿瘤类器官与肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）、内皮细胞等共培养，可诱导基质细胞活化并分泌细胞因子（如IL-6、CXCL12），模拟基质-肿瘤细胞的相互作用。例如，我们通过将胰腺癌类器官与CAFs共培养，观察到CAFs分泌的肝细胞生长因子（HGF）显著增强肿瘤细胞的侵袭能力，同时肿瘤细胞通过TGF-β1反馈激活CAFs，形成“恶性循环”。2.免疫细胞浸润类器官的构建：通过将外周血单个核细胞（PBMC）或肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）与肿瘤类器官共培养，可模拟免疫微环境。近年来，通过添加IL-2、IL-15等细胞因子，我们成功在类器官中诱导出CD8+T细胞的浸润，并观察到PD-L1高表达的类器官对T细胞功能的抑制作用，这为免疫检查点抑制剂的筛选提供了理想平台。类器官构建肿瘤微环境的技术策略3.细胞外基质（ECM）的优化：ECM不仅是细胞的“支架”，更是信号传导的关键介质。传统类器官培养多使用Matrigel，但其成分单一且批次差异大。我们通过混合胶原蛋白、层粘连蛋白和透明质酸，构建了更接近结直肠黏膜ECM成分的“人工基质”，发现类器官中的腺体形态更规则，且缺氧诱导因子（HIF-1α）的表达水平与临床样本更为一致。02肿瘤微环境：代谢重编程的“调控者”肿瘤微环境：代谢重编程的“调控者”肿瘤微环境并非被动地为肿瘤细胞提供支持，而是通过物理信号（如缺氧、机械力）、化学信号（如细胞因子、代谢物）和生物信号（如菌群、免疫细胞）主动调控肿瘤细胞的代谢网络，甚至诱导代谢异质性。类器官模型因其可操控性，为揭示这些调控机制提供了直接证据。缺氧微环境：代谢重编程的经典驱动因素缺氧是实体瘤微环境的典型特征，约占肿瘤体积的30%-50%。在类器官模型中，我们可通过化学诱导剂（如CoCl2）或物理方法（如低氧培养箱）模拟缺氧状态，观察到肿瘤细胞代谢的显著变化：1.糖酵解增强：缺氧诱导因子（HIF-1α）是缺氧信号的核心转录因子，其稳定后可上调葡萄糖转运蛋白（GLUT1）、己糖激酶（HK2）、乳酸脱氢酶A（LDHA）等糖酵解关键酶的表达。我们在肝癌类器官中证实，缺氧处理24小时后，葡萄糖摄取率增加3.2倍，乳酸产生量升高2.8倍，且这种效应可被HIF-1α抑制剂（如PX-478）逆转。缺氧微环境：代谢重编程的经典驱动因素2.谷氨酰胺代谢重编程：缺氧状态下，肿瘤细胞对谷氨酰胺的依赖性显著增加。HIF-1α可激活谷氨酰胺酶（GLS），催化谷氨酰胺转化为谷氨酸，进而进入三羧酸循环（TCA）以补充α-酮戊二酸（α-KG）。通过在类培养基中添加13C标记的谷氨酰胺，我们发现缺氧区域的肿瘤细胞中，13C标记的α-KG和柠檬酸水平显著升高，证实了谷氨酰胺“替代”葡萄糖进入TCA循环的现象。3.脂质代谢改变：缺氧可通过HIF-1α上调脂肪酸结合蛋白（FABP3）和硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD1），促进脂肪酸摄取和单不饱和脂肪酸（MUFA）的合成。我们在乳腺癌类器官中观察到，缺氧处理的类器官中脂滴数量增加1.9倍，且MUFA与饱和脂肪酸的比值升高，抑制SCD1可显著增强缺氧诱导的细胞凋亡。免疫微环境：代谢竞争与免疫逃逸的“战场”肿瘤免疫微环境中的免疫细胞（如T细胞、巨噬细胞）与肿瘤细胞存在激烈的代谢竞争，这种竞争不仅影响免疫细胞的功能，更塑造了肿瘤细胞的代谢适应策略。类器官共培养模型为揭示这一过程提供了独特视角：1.T细胞介导的代谢限制：活化的T细胞通过高表达CD71（转铁蛋白受体）和CD98（氨基酸转运体），大量摄取葡萄糖、色氨酸等营养物质，导致微环境中营养物质耗竭。我们在黑色素瘤类器官与T细胞共培养体系中发现，T细胞浸润区域的葡萄糖浓度降至正常水平的20%，色氨酸因被T细胞中的吲胺2,3-双加氧酶（IDO）代谢为犬尿氨酸，导致肿瘤细胞中mTOR信号抑制，增殖能力下降50%。免疫微环境：代谢竞争与免疫逃逸的“战场”2.巨噬细胞的极化与代谢重编程：肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）根据极化状态分为M1型（抗肿瘤）和M2型（促肿瘤）。M1型巨噬细胞通过糖酵解产生大量ROS和NO，杀伤肿瘤细胞；而M2型巨噬细胞则依赖氧化磷酸化（OXPHOS），分泌IL-10、TGF-β等因子促进肿瘤生长。在类器官中，我们通过添加GM-CSF诱导M1型巨噬细胞，观察到肿瘤细胞的凋亡率增加35%；而添加IL-4诱导M2型巨噬细胞后，肿瘤细胞的糖酵解通量进一步增加，且侵袭能力显著增强。3.免疫检查点分子的代谢调控：PD-L1不仅是免疫检查点分子，还可通过结合PD-1抑制T细胞功能，其表达受代谢信号调控。我们在肺癌类器官中发现，葡萄糖饥饿可诱导PD-L1的糖基化修饰，增强其稳定性；而抑制糖酵解关键酶PKM2，可降低PD-L1的表达，恢复T细胞的杀伤活性。这一发现为“代谢-免疫”联合治疗提供了理论依据。基质微环境：物理信号与代谢的“对话”肿瘤基质成纤维细胞（CAFs）不仅通过分泌细胞因子调控肿瘤代谢，还可通过ECM重塑改变物理微环境（如硬度、张力），进而影响肿瘤细胞的代谢途径：1.ECM刚度与糖酵解：CAFs通过分泌I型胶原蛋白和成纤维细胞活化蛋白（FAP），增加ECM的刚度。我们在类器官中通过调整胶原浓度模拟不同刚度环境（2kPavs.20kPa，分别模拟正常组织与肿瘤组织），发现高刚度环境下，肿瘤细胞中整合素β1/FAK/Src信号通路被激活，进而上调c-Myc的表达，促进糖酵解关键酶的转录。2.机械力与脂质代谢：CAFs通过收缩ECM产生的机械张力，可诱导肿瘤细胞中YAP/TAZ的入核。我们在肝癌类器官中观察到，YAP/TAZ入核后可上调脂肪酸合成酶（FASN）的表达，促进内源性脂质合成；抑制YAP/TAZ或FASN，可显著降低张力诱导的肿瘤细胞侵袭能力。03代谢重编程：肿瘤微环境重塑的“反向调控”代谢重编程：肿瘤微环境重塑的“反向调控”传统观点认为，代谢重编程是肿瘤细胞对微环境的被动适应，但近年研究发现，代谢重编程产生的代谢物可主动调控微环境中的细胞功能、ECM组成及免疫应答，形成“代谢-微环境”的正反馈循环。类器官模型因其可追踪代谢动态变化的优势，为揭示这一反向调控机制提供了关键证据。乳酸：塑造免疫抑制微环境的“代谢信使”乳酸是肿瘤细胞糖酵解的主要产物，其积累不仅是“Warburg效应”的标志，更是调控微环境的关键分子：1.抑制免疫细胞功能：乳酸通过抑制T细胞中的组蛋白去乙酰化酶（HDAC），干扰IFN-γ的转录；同时，乳酸可诱导树突状细胞（DCs）的成熟障碍，促进其向免疫抑制型M2型巨噬细胞极化。我们在结直肠癌类器官中通过敲低LDHA减少乳酸产生，发现共培养的T细胞增殖能力增加2.1倍，IFN-γ分泌量升高3.5倍。2.激活CAFs并重塑ECM：乳酸可通过GPR81受体激活CAFs，促进其分泌α-SMA和TGF-β1，进一步增加ECM的刚度和纤维化程度。在类器官中，我们外源性添加乳酸（20mM），观察到CAFs的活化标志物FAP表达增加2.3倍，且类器官的硬度提升40%，这种“乳酸-CAFs-ECM”正反馈循环促进了肿瘤的侵袭转移。酮体：支持免疫细胞存活的“替代燃料”传统认为酮体是饥饿状态下的能量来源，但近年研究发现，肿瘤细胞分泌的酮体（如β-羟基丁酸，β-OHB）可为免疫细胞提供能量，尤其在葡萄糖受限的微环境中：1.支持CD8+T细胞功能：β-OHB可通过激活T细胞中的EPH受体B2（EPHB2），增强其线粒体OXPHOS功能，维持IFN-γ的产生。我们在胶质母细胞瘤类器官中发现，肿瘤细胞分泌的β-OHB可促进T细胞的浸润和抗肿瘤活性，而抑制酮体生成酶（HMGCS2）则削弱了这一效应。2.促进M2型巨噬细胞极化：β-OHB可激活巨噬细胞中的GPR109a受体，诱导IL-10分泌，促进M2型极化。这一发现解释了为何在低葡萄糖的肿瘤核心区域，M2型巨噬细胞仍大量存在。一碳代谢：调控表观遗传与免疫逃逸的“枢纽”一碳代谢包括叶酸循环和甲硫氨酸循环，为核苷酸、谷胱甘肽及甲基供体（如S-腺苷甲硫氨酸，SAM）的合成提供原料，其紊乱可影响表观遗传修饰和免疫应答：1.DNA甲基化与免疫逃逸：肿瘤细胞通过高表达甲氨蝶呤（MTX）靶酶DHFR，增强叶酸循环，促进SAM合成，进而抑制抑癌基因的甲基化。我们在淋巴瘤类器官中证实，抑制叶酸循环可恢复PD-L1基因的启动子区甲基化，降低PD-L1表达，增强T细胞的杀伤活性。2.组蛋白修饰与T细胞耗竭：一碳代谢产物α-KG是组蛋白去甲基化酶（KDMs）的辅因子，其耗竭可导致组蛋白甲基化水平异常，诱导T细胞耗竭。在黑色素瘤类器官中，我们观察到肿瘤细胞通过消耗α-KG，导致T细胞中H3K27me3修饰增加，IFN-γ表达下降，而补充α-KG可逆转这一现象。04类器官模型在肿瘤微环境-代谢研究中的应用与挑战类器官在药物筛选与个体化治疗中的应用肿瘤微环境与代谢重编程是肿瘤耐药的重要机制，类器官模型因其保留患者特异性，已成为药物筛选和个体化治疗的有力工具：1.靶向代谢通路的药物筛选：我们基于患者来源的肝癌类器官库，筛选了50种代谢抑制剂，发现GLS抑制剂（CB-839）对谷氨酰胺依赖型类器官的抑制作用显著，且与HIF-1α表达水平呈正相关。2.微环境调控药物的敏感性评估：在胰腺癌类器官中，我们联合使用CAFs抑制剂（如nintedanib）和糖酵解抑制剂（2-DG），发现两者协同作用可显著降低类器官的生存率，这一结果为克服肿瘤基质介导的耐药提供了新思路。3.免疫治疗的预测模型：通过构建肿瘤类器官-免疫细胞共培养体系，我们成功预测了PD-1抑制剂响应患者与非响应患者的差异：响应患者的类器官中，T细胞浸润程度高且IFN-γ分泌量多，而非响应患者的PD-L1表达和乳酸水平显著升高。类器官模型的局限性21尽管类器官模型具有显著优势，但其仍存在以下局限性：3.长期培养的稳定性：类器官在长期传代过程中可能出现遗传漂变或表型改变，影响实验结果的可靠性。1.血管化不足：类器官缺乏功能性血管系统，导致营养物质和氧气供应受限，中心区域易坏死，难以模拟体内肿瘤的代谢梯度。2.免疫成分单一：目前大多数类器官模型仅包含固有免疫细胞，适应性免疫细胞（如B细胞、NK细胞）的整合仍不完善。43未来发展方向针对上述局限性，未来类器官模型的发展将聚焦于：1.血管化类器官的构建：通过内皮细胞周细胞共