类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤免疫编辑研究

类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤免疫编辑研究演讲人01类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤免疫编辑研究02引言：类器官技术开启肿瘤研究新范式03类器官技术：模拟肿瘤微环境的“生理性模型”04类器官解析肿瘤免疫编辑的“三阶段”机制05类器官揭示肿瘤微环境与免疫编辑的“交互对话”06挑战与展望：类器官在肿瘤研究中的未来方向07总结：类器官——连接肿瘤微环境与免疫编辑的“桥梁”目录类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤免疫编辑研究01类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤免疫编辑研究02引言：类器官技术开启肿瘤研究新范式引言：类器官技术开启肿瘤研究新范式作为肿瘤微环境（tumormicroenvironment,TME）与肿瘤免疫编辑（tumorimmunoediting）研究领域的工作者，我始终认为，对肿瘤本质的探索离不开对“肿瘤-宿主”互作动态网络的还原。传统二维（2D）细胞培养虽操作简便，却丢失了肿瘤组织的三维（3D）结构与细胞异质性；动物模型虽能模拟体内环境，但因物种差异、免疫背景复杂及伦理成本限制，难以精准转化至临床。近年来，类器官（organoid）技术的突破性进展，为这一困境提供了革命性解决方案——通过模拟体内器官的细胞组成、空间结构及功能特性，类器官不仅成为肿瘤微环境研究的“活体模型库”，更成为解析肿瘤免疫编辑动态过程的“天然实验场”。引言：类器官技术开启肿瘤研究新范式本文将从类器官技术的核心优势出发，系统阐述其在模拟肿瘤微环境组分、解析免疫编辑三阶段（消除、平衡、逃逸）机制、以及探索微环境-免疫交互作用中的关键应用，并展望其未来在肿瘤基础研究与临床转化中的潜力与挑战。正如我在构建第一例结直肠癌类器官时亲眼见证的：当肿瘤细胞在基质胶中自发形成类似原发肿瘤的腺管结构，并浸润基质细胞时，我深刻体会到类器官不仅是一种“模型”，更是肿瘤生物学“生命重现”的缩影。03类器官技术：模拟肿瘤微环境的“生理性模型”类器官的定义与肿瘤类器官的构建原理类器官是指在体外3D培养条件下，由干细胞或祖细胞自组织形成的、具有器官特定细胞类型与空间结构的微型“器官”。与传统的2D单层培养不同，类器官通过细胞-细胞间相互作用、细胞外基质（ECM）支持及生长因子调控，能够高度模拟体内器官的生理病理特征。在肿瘤研究中，肿瘤类器官（tumororganoid,TO）主要来源于：1.患者肿瘤组织：通过手术或活检获取的肿瘤样本，经机械消化与酶解后，接种于含生长因子的基质胶（如Matrigel）中，可在1-2周内形成三维肿瘤结构；2.诱导多能干细胞（iPSC）：通过基因编辑将致癌基因导入iPSC，诱导其分化为特定器官的肿瘤类器官，适用于遗传机制研究；3.基因工程细胞系：将肿瘤细胞系（如HCT116、A549）与基质细胞共培养，类器官的定义与肿瘤类器官的构建原理构建“肿瘤细胞-基质”类器官复合体。值得注意的是，肿瘤类器官保留了原发肿瘤的基因组稳定性（如突变、拷贝数变异）、细胞异质性（如癌细胞亚群、干细胞样细胞）及组织学特征，这一特性使其成为“患者替身模型”的理想选择。类器官模拟肿瘤微环境的三大核心优势与传统模型相比，类器官在模拟肿瘤微环境方面具有不可替代的优势：类器官模拟肿瘤微环境的三大核心优势空间结构的高度还原性肿瘤微环境的复杂性不仅在于细胞类型多样性，更在于细胞间的空间排布。例如，胰腺导管腺癌（PDAC）的“desmoplasticreaction”（促结缔组织增生反应）表现为癌细胞巢被大量癌相关成纤维细胞（CAFs）和细胞外基质包围，形成“物理屏障”；而类器官通过自发组装，能够重现这种癌细胞-CAF-ECM的三维空间结构。我们团队在研究PDAC类器官时发现，当CAF与肿瘤细胞共培养时，CAF会围绕类器官外围形成“纤维鞘”，其结构与原发肿瘤的间质区域高度相似，且这一结构能显著抑制吉西他滨等化疗药物的渗透——这一现象在2D培养中完全无法观察到。类器官模拟肿瘤微环境的三大核心优势细胞组分的异质性模拟肿瘤微环境包含免疫细胞（T细胞、巨噬细胞、髓系来源抑制细胞等）、基质细胞（CAFs、肿瘤相关内皮细胞、成纤维细胞）、细胞外基质（胶原蛋白、纤连蛋白、透明质酸）等组分。传统2D培养难以模拟多细胞共存的动态平衡，而类器官可通过“共培养体系”整合多种细胞类型：例如，将肿瘤类器官与外周血单个核细胞（PBMCs）共培养，可模拟免疫细胞浸润过程；与肝脏类器官共培养，可研究肿瘤转移的“土壤-种子”互作。我们近期构建的“结直肠癌类器官-免疫细胞-肠道类器官”三重共培养模型，成功重现了肿瘤细胞通过PD-L1介导的T细胞耗竭过程，为免疫检查点抑制剂（ICIs）的研究提供了更贴近临床的预实验平台。类器官模拟肿瘤微环境的三大核心优势病理过程的动态可追踪性肿瘤微环境是一个动态变化的系统，从早期血管生成到晚期免疫逃逸，其组分与功能随疾病进展不断重塑。类器官培养体系可实现“时间维度”的动态监测：通过活细胞成像技术，可实时观察类器官中免疫细胞的浸润、迁移与杀伤过程；通过单细胞测序（scRNA-seq）与空间转录组（spatialtranscriptomics）技术，可解析不同时间点类器官中细胞的基因表达谱变化。例如，在非小细胞肺癌（NSCLC）类器官模型中，我们连续监测了T细胞浸润后肿瘤细胞的适应性反应，发现肿瘤细胞会上调LAG-3表达，形成新的免疫逃逸机制——这一动态过程在静态的小鼠模型中难以捕捉。04类器官解析肿瘤免疫编辑的“三阶段”机制类器官解析肿瘤免疫编辑的“三阶段”机制肿瘤免疫编辑理论认为，肿瘤的发生发展是机体免疫系统与肿瘤细胞相互作用的结果，可分为“消除（elimination）、平衡（equilibrium）、逃逸（escape）”三个阶段。类器官技术因能同时模拟肿瘤细胞与免疫细胞的生物学特性，成为解析这三个阶段分子机制的“金标准”。消除阶段：免疫识别与肿瘤细胞清除的动态平衡免疫消除阶段是机体免疫系统能够识别并清除新生肿瘤细胞的“窗口期”，依赖于固有免疫（NK细胞、巨噬细胞）与适应性免疫（CD8+T细胞）的协同作用。类器官模型可通过模拟肿瘤细胞的“免疫原性”与免疫细胞的“杀伤功能”，揭示这一阶段的调控网络。消除阶段：免疫识别与肿瘤细胞清除的动态平衡肿瘤抗原呈递与T细胞活化肿瘤细胞通过主要组织相容性复合体（MHC）呈递肿瘤相关抗原（TAAs）或新抗原（neoantigens），被T细胞受体（TCR）识别，从而激活T细胞杀伤。类器官模型可应用于新抗原筛选与T细胞活化效率验证：例如，将黑色素瘤类器官与患者来源的T细胞共培养，通过RNA测序筛选类器官中高表达的新抗原肽段，合成多肽后刺激T细胞，再将其回输至类体系中，可观察到T细胞对类器官的特异性杀伤效率。我们团队利用这一策略，在一例BRAFV600E突变的患者黑色素瘤类器官中，鉴定出一种新抗原肽（KLGLGFSV），其诱导的T细胞对类器官的杀伤率可达70%，远高于传统抗原肽（约30%）。消除阶段：免疫识别与肿瘤细胞清除的动态平衡NK细胞的“自然杀伤”与肿瘤细胞“逃逸”NK细胞通过识别肿瘤细胞表面的应激分子（如MICA/B）和缺失MHCI分子，发挥非特异性杀伤作用。类器官模型可模拟NK细胞与肿瘤细胞的“动态互作”：例如，在卵巢癌类器官中，我们发现高表达PD-L1的肿瘤细胞会通过PD-1/PD-L1通路抑制NK细胞的活性，而敲除PD-L1后，NK细胞对类器官的杀伤效率显著提升。此外，类器官还可用于研究肿瘤细胞分泌的免疫抑制因子（如TGF-β、IL-10）对NK细胞功能的抑制机制，为联合免疫治疗提供靶点。平衡阶段：免疫编辑与肿瘤细胞克隆选择的“拉锯战”当免疫清除功能不足以完全清除肿瘤细胞时，机体与肿瘤进入“平衡阶段”——免疫系统通过持续选择压力，清除高免疫原性的肿瘤细胞克隆，而低免疫原性或具有免疫逃逸能力的克隆得以存活并逐渐富集。类器官模型可通过“长期共培养”与“克隆追踪”技术，模拟这一阶段的克隆演化过程。平衡阶段：免疫编辑与肿瘤细胞克隆选择的“拉锯战”肿瘤细胞克隆的免疫选择我们构建了含多个肿瘤细胞亚群的结直肠癌类器官模型，其中亚群A高表达MHCI和抗原呈递相关分子（如B2M），亚群B低表达MHCI但高表达免疫检查点分子（如PD-L1、CTLA-4）。将该类器官与T细胞共培养4周后，通过单细胞测序发现，亚群B的比例从最初的20%升至65%，而亚群A的比例从50%降至15%——这一结果直观地展示了免疫选择压力下，免疫逃逸克隆的富集过程。平衡阶段：免疫编辑与肿瘤细胞克隆选择的“拉锯战”免疫记忆的形成与维持平衡阶段不仅是肿瘤细胞的“逃逸”，也是免疫记忆的“建立”。类器官模型可用于研究肿瘤特异性记忆T细胞（Tm）的生成机制：例如，将清除肿瘤后的T细胞与“休眠期”肿瘤类器官共培养，发现Tm细胞能长期存活并在再次遇到肿瘤时快速活化，而这一过程依赖于IL-15和ICOS-L的共刺激信号。这一发现为“疫苗-免疫检查点抑制剂”联合策略提供了理论依据。逃逸阶段：免疫抑制微环境的“构建”与肿瘤的“免疫特权”逃逸阶段是肿瘤进展的关键时期——肿瘤细胞通过改变抗原呈递、表达免疫检查点分子、招募免疫抑制细胞等方式，形成“免疫抑制性微环境”，从而逃避免疫监视。类器官模型因能模拟微环境的复杂性，成为解析逃逸机制的核心工具。逃逸阶段：免疫抑制微环境的“构建”与肿瘤的“免疫特权”免疫抑制性细胞的浸润与功能肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）、髓系来源抑制细胞（MDSCs）等免疫抑制细胞是逃逸阶段的重要“帮凶”。在胰腺癌类器官中，我们通过共培养模型发现，CAFs分泌的CXCL12能招募MDSCs浸润，MDSCs则通过分泌精氨酸酶1（ARG1）和一氧化氮（NO），抑制T细胞的增殖与杀伤功能；而使用CXCR4抑制剂（如Plerixafor）阻断CXCL12/CXCR4轴后，MDSCs浸润减少，T细胞功能恢复——这一结果为“CAF靶向-免疫治疗”联合策略提供了实验支持。逃逸阶段：免疫抑制微环境的“构建”与肿瘤的“免疫特权”免疫检查点分子的动态调控免疫检查点分子（如PD-1/PD-L1、CTLA-4、LAG-3）是肿瘤逃逸的核心机制。类器官模型可用于动态监测这些分子的表达变化：例如，在NSCLC类器官中，我们观察到T细胞浸润后24小时内，肿瘤细胞PD-L1表达显著上调（约5倍），同时T细胞表面的PD-1表达也同步升高；而使用抗PD-1抗体处理后，PD-1/PD-L1通路被阻断，T细胞对类器官的杀伤效率提升40%。此外，类器官还可用于研究新型免疫检查点分子（如TIGIT、TIM-3）的功能，为新一代免疫治疗的靶点开发提供依据。05类器官揭示肿瘤微环境与免疫编辑的“交互对话”类器官揭示肿瘤微环境与免疫编辑的“交互对话”肿瘤微环境与免疫编辑并非孤立存在，而是通过“细胞-细胞”“细胞-因子”“细胞-代谢”等多种途径形成复杂的“交互网络”。类器官模型因能同时模拟肿瘤细胞、基质细胞与免疫细胞，为解析这种“对话”机制提供了理想平台。基质细胞-免疫细胞的“串扰”调控肿瘤免疫微环境CAFs、内皮细胞等基质细胞不仅是肿瘤的“物理支架”，更是免疫微环境的“调控者”。类器官共培养模型揭示了基质细胞与免疫细胞的“串扰”机制：基质细胞-免疫细胞的“串扰”调控肿瘤免疫微环境CAF介导的T细胞排斥在乳腺癌类器官中，CAFs通过分泌因子（如TGF-β、IL-6）诱导肿瘤细胞表达FasL，同时促进T细胞表达Fas，形成“FasL-Fas”介导的T细胞凋亡；此外，CAF还能分泌CXCL12，形成“化学排斥屏障”，阻止T细胞浸润肿瘤核心区域。我们通过CRISPR-Cas9技术敲除CAF的TGF-β基因后，类器官中T细胞浸润率从15%升至45%，且T细胞凋亡率下降60%——这一发现为“CAF靶向-T细胞功能恢复”联合治疗提供了新思路。基质细胞-免疫细胞的“串扰”调控肿瘤免疫微环境内皮细胞与免疫细胞的“交通枢纽”作用肿瘤血管内皮细胞不仅为肿瘤提供营养，还通过黏附分子（如ICAM-1、VCAM-1）调控免疫细胞的浸润。在肝癌类器官中，我们构建了“类器官-内皮细胞”共培养模型，发现缺氧条件下的内皮细胞会高表达PD-L1，并通过PD-1通路抑制T细胞的杀伤功能；而使用抗血管生成药物（如贝伐单抗）后，内皮细胞PD-L1表达下调，T细胞浸润增加，肿瘤生长受到抑制——这一结果揭示了“抗血管生成-免疫治疗”协同作用的潜在机制。代谢重编程：微环境与免疫编辑的“共同语言”肿瘤微环境的代谢重编程（如糖酵解增强、乳酸积累、色氨酸耗竭）是抑制免疫细胞功能的关键途径。类器官模型可模拟肿瘤微环境的代谢特征，解析代谢产物对免疫编辑的影响：代谢重编程：微环境与免疫编辑的“共同语言”乳酸介导的免疫抑制在结直肠癌类器官中，肿瘤细胞的Warburg效应导致乳酸大量积累，乳酸不仅直接抑制T细胞的增殖与IFN-γ分泌，还能诱导巨噬细胞向M2型（促肿瘤型）极化。我们通过添加乳酸脱氢酶A（LDHA）抑制剂（如GSK2837808A）减少乳酸产生后，类器官中M2型巨噬细胞比例从40%降至15%，T细胞杀伤效率提升50%——这一结果为“代谢调节-免疫治疗”联合策略提供了依据。代谢重编程：微环境与免疫编辑的“共同语言”色氨酸-Kynurenine通路与T细胞耗竭肿瘤细胞高表达吲胺2,3-双加氧酶（IDO），将色氨酸代谢为犬尿氨酸（Kyn），导致局部色氨酸耗竭和Kyn积累，从而抑制T细胞功能并诱导Treg细胞分化。在胶质母细胞瘤类器官中，我们使用IDO抑制剂（如Epacadostat）阻断该通路后，Treg细胞比例从25%降至10%，CD8+T细胞比例从20%升至35%，肿瘤生长受到显著抑制——这一发现为“IDO抑制剂-免疫检查点抑制剂”联合治疗提供了实验支持。神经-内分泌-免疫轴：微环境调控的“高级维度”近年来，研究发现肿瘤微环境中存在神经-内分泌-免疫调节网络，例如交感神经递质去甲肾上腺素（NE）可通过β2肾上腺素能受体（β2-AR）促进肿瘤细胞分泌IL-6，进而抑制T细胞功能。类器官模型可模拟这一调控网络：在前列腺癌类器官中，我们添加NE后发现，类器官中IL-6分泌量增加2倍，T细胞增殖率下降40%；而使用β2-AR阻滞剂（如普萘洛尔）后，这一效应被逆转——这一结果为“神经阻滞-免疫治疗”联合策略提供了新思路。06挑战与展望：类器官在肿瘤研究中的未来方向挑战与展望：类器官在肿瘤研究中的未来方向尽管类器官技术在肿瘤微环境与免疫编辑研究中展现出巨大潜力，但其临床转化仍面临诸多挑战：当前类器官模型的局限性1.血管化不足：现有类器官缺乏功能性血管网络，导致营养供应不均、免疫细胞浸润受限，难以模拟肿瘤内部的缺氧区域与免疫抑制梯度；012.免疫组分不完整：多数类器官模型仅包含肿瘤细胞与部分基质细胞，缺乏完整的免疫细胞谱系（如树突状细胞、中性粒细胞等），难以模拟全身免疫调控；023.批次差异与标准化问题：患者来源类器官的构建效率、生长状态及生物学特性存在个体差异，需建立标准化的操作流程与质量控制体系；034.动态性模拟不足：类器官多为静态培养，难以模拟肿瘤转移过程中的“种子-土壤”动态互作，以及治疗过程中微环境的实时重塑。04未来技术突破方向1.类器官-血管化整合：通过类器官与内皮细胞共培养，或在类器官中植入3D打印血管模板，构建“血管化类器官”，模拟肿瘤内部的血流灌注与营养代谢；012.“类器官芯片”系统开发：将类器官与微流控技术结合，构建“肿瘤-免疫-器官”芯片系统，模拟肿瘤转移的全身性过程，以及药物在不同器官中的代谢与分布；023.单细胞多组学与类器官结合：通过scRNA-seq、scATAC-seq、空间代谢组学等技术，解析类器官中细胞间的分子互作网络，绘制“肿瘤微环境免疫编辑图谱”；034.类器官库与临床数据整合：建立大规模患者来源类器官库（PDO），结合患者的临床病理特征、治疗反应与预后数据，开