类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究

类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究演讲人01类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究02引言：从“孤立样本”到“生态系统”的认知跃迁03类器官与肿瘤微环境的基础概念解析04类器官模型在肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究中的应用05类器官模型在肿瘤微环境研究中的临床转化价值06挑战与展望：迈向更精准的肿瘤-微环境互作研究07结论：类器官模型开启肿瘤-微环境互作研究的新纪元目录类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究01类器官与类器官：肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究02引言：从“孤立样本”到“生态系统”的认知跃迁引言：从“孤立样本”到“生态系统”的认知跃迁肿瘤研究曾长期聚焦于肿瘤细胞本身的遗传突变与表型异常，将肿瘤视为“失控的细胞集合体”。然而，随着研究的深入，我们逐渐意识到：肿瘤并非孤立存在的“细胞岛”，而是一个由肿瘤细胞与多种非肿瘤细胞、生物大分子、代谢产物等构成的复杂生态系统——这一生态系统即“肿瘤微环境”（TumorMicroenvironment,TME）。TME与肿瘤细胞之间的动态相互作用，是肿瘤发生、进展、转移、耐药的核心驱动力，也是当前抗肿瘤治疗研究的关键靶点。与此同时，类器官（Organoid）技术的崛起为解析肿瘤-微环境相互作用提供了革命性工具。类器官源于干细胞或祖细胞，能在体外自组织形成与体内组织高度相似的三维结构，保留了原组织的遗传背景、细胞异质性和功能特征。相较于传统的二维细胞系和动物模型，类器官在模拟肿瘤生物学特性方面更具优势，尤其在整合肿瘤微环境组分、构建“肿瘤-微环境共培养体系”时展现出独特潜力。引言：从“孤立样本”到“生态系统”的认知跃迁本文将系统阐述类器官模型在肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究中的应用进展，从类器官与肿瘤微环境的基础概念出发，深入剖析两者相互作用的分子机制、研究方法学突破、临床转化价值，并探讨当前面临的挑战与未来方向。我们希望通过这一梳理，为领域内研究者提供从“基础机制”到“临床应用”的完整视角，推动肿瘤微环境研究的深化与精准治疗的实现。03类器官与肿瘤微环境的基础概念解析类器官：体外模拟肿瘤生物学特征的“微型器官”类器官的定义与生物学特征类器官（Organoid）是指在体外三维培养条件下，由干细胞（包括胚胎干细胞、成体干细胞、诱导多能干细胞）或组织祖细胞通过自组织、自我更新和分化形成的、具有与来源器官相似空间结构和功能特征的微型三维结构。其核心特征包括：-自我组织性：通过细胞间信号分子自发排列，形成类似体内器官的极化结构（如肠类器官的隐窝-绒毛结构、脑类器官的分层神经元网络）；-遗传稳定性：保留来源组织的遗传背景，可携带肿瘤特异性突变（如患者来源的肿瘤类organoid,PDO）；-细胞异质性：包含来源器官的多种细胞类型（如肠道类器官中的肠上皮细胞、潘氏细胞、杯状细胞）；-功能可塑性：能模拟器官的部分生理功能（如肠类器官的吸收屏障功能、肝类器官的代谢解毒功能）。类器官：体外模拟肿瘤生物学特征的“微型器官”肿瘤类器官的建立与应用优势肿瘤类器官（TumorOrganoid,TO）通常来源于患者的肿瘤组织（手术切除、活检）或肿瘤干细胞，通过添加特定生长因子（如EGF、Noggin、R-spondin）和细胞外基质（如Matrigel）进行培养。相较于传统肿瘤模型，TO具有显著优势：-临床相关性高：直接来源于患者肿瘤，保留了肿瘤的遗传异质性、组织学特征和药物反应谱，能更好地模拟患者肿瘤的生物学行为；-建立效率高：对于多数实体瘤（如结直肠癌、肺癌、乳腺癌等），TO的成功率可达70%-90%，远高于PDX模型；-可长期传代与冻存：在液氮中长期保存后仍可复苏，便于建立生物样本库，支持大规模药物筛选和机制研究；类器官：体外模拟肿瘤生物学特征的“微型器官”肿瘤类器官的建立与应用优势-伦理争议小：相较于动物模型，类器官培养不涉及活体实验，更符合3R（替代、减少、优化）原则。肿瘤微环境：肿瘤细胞赖以生存的“土壤”肿瘤微环境的组成与功能肿瘤微环境是肿瘤细胞所处的局部环境，包含细胞组分和非细胞组分，两者共同维持肿瘤的生长、侵袭和转移。肿瘤微环境：肿瘤细胞赖以生存的“土壤”细胞组分-免疫细胞：包括T细胞（CD8+细胞毒性T细胞、CD4+辅助T细胞、调节性T细胞）、B细胞、自然杀伤（NK）细胞、巨噬细胞（M1型抗肿瘤、M2型促肿瘤）、髓系来源抑制细胞（MDSCs）、树突状细胞（DCs）等。免疫细胞既可通过识别杀伤肿瘤细胞发挥抗肿瘤作用，也可被肿瘤细胞“驯化”形成免疫抑制微环境；-基质细胞：包括癌症相关成纤维细胞（CAFs）、肿瘤相关内皮细胞（Tumor-associatedEndothelialCells,TECs）、脂肪细胞、mesenchymalstemcells（MSCs）等。CAFs是TME中最丰富的基质细胞之一，通过分泌细胞因子（如IL-6、HGF）、细胞外基质（ECM）重塑促进肿瘤进展；-肿瘤细胞本身：作为TME的核心“指挥者”，通过分泌信号分子影响微环境组分，同时响应微环境的反馈调节。肿瘤微环境：肿瘤细胞赖以生存的“土壤”非细胞组分-细胞外基质（ECM）：由胶原蛋白、纤维连接蛋白、层粘连蛋白、透明质酸等组成，不仅提供结构支撑，还可通过整合素等受体影响肿瘤细胞增殖、迁移和耐药；-细胞因子与趋化因子：如TGF-β、TNF-α、IL-10、VEGF等，介导细胞间通讯，调节免疫应答、血管生成和炎症反应；-代谢物：如乳酸、酮体、腺苷等，肿瘤细胞的Warburg效应导致乳酸积累，可通过“乳酸穿梭”机制影响免疫细胞功能（如抑制T细胞浸润）；-物理信号：包括组织硬度（如CAFs分泌的胶原导致ECM刚度增加）、缺氧（肿瘤血管生成不足导致的局部低氧）、pH值（乳酸积累导致酸性微环境）等，可调控肿瘤细胞基因表达和表型转换。肿瘤微环境：肿瘤细胞赖以生存的“土壤”肿瘤微环境在肿瘤进展中的作用TME并非肿瘤的“被动旁观者”，而是主动参与肿瘤发展的“共犯”：-促进肿瘤增殖与存活：CAFs分泌的EGF、HGF等生长因子激活肿瘤细胞的PI3K/AKT和MAPK信号通路；-诱导侵袭与转移：ECM重塑（如基质金属蛋白酶MMPs表达增加）为肿瘤细胞迁移提供“通道”；缺氧诱导因子（HIF-1α）上调EMT相关基因，促进肿瘤细胞上皮-间质转化；-介导免疫逃逸：肿瘤细胞通过分泌PD-L1与T细胞PD-1结合，抑制T细胞活性；M2型巨噬细胞分泌IL-10、TGF-β，诱导调节性T细胞（Tregs）浸润，形成免疫抑制微环境；肿瘤微环境：肿瘤细胞赖以生存的“土壤”肿瘤微环境在肿瘤进展中的作用-驱动治疗耐药：ECM物理屏障阻碍药物渗透；CAFs通过旁分泌信号激活肿瘤细胞的DNA损伤修复通路，导致化疗/放疗耐药；免疫抑制微环境降低免疫检查点抑制剂的疗效。04类器官模型在肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究中的应用类器官模型在肿瘤微环境与肿瘤相互作用研究中的应用传统研究肿瘤-微环境相互作用的方法（如动物模型、二维共培养）存在局限性：动物模型成本高、周期长，且种属差异影响结果外推；二维共培养难以模拟三维空间结构和细胞间复杂通讯。类器官模型的兴起，为构建更接近体内的“肿瘤-微环境互作体系”提供了可能，其应用主要体现在以下几个方面：类器官-微环境共培养体系的构建策略直接共培养法：将类器官与微环境细胞混合培养该方法是将肿瘤类器官与分离自TME的细胞（如CAFs、T细胞、巨噬细胞）在体外直接混合培养，通过细胞直接接触和旁分泌信号模拟相互作用。例如：01-肿瘤类器官与免疫细胞共培养：黑色素瘤类器官与外周血单个核细胞（PBMCs）共培养，可观察到CD8+T细胞浸润和肿瘤细胞杀伤效应，若加入PD-1抗体，杀伤效应进一步增强，模拟了免疫检查点抑制剂的作用机制。03-肿瘤类器官与CAFs共培养：结直肠癌类器官与CAFs共培养后，肿瘤细胞中EMT相关基因（Vimentin、Snail）表达上调，迁移能力显著增强，证实CAFs通过分泌TGF-β诱导EMT；02类器官-微环境共培养体系的构建策略直接共培养法：将类器官与微环境细胞混合培养2.间接共培养法：通过transwell或微流控芯片模拟空间隔离当需要区分细胞直接接触与可溶性因子的作用时，可采用间接共培养系统：-Transwell系统：将肿瘤类器官置于上层chamber，微环境细胞（如巨噬细胞）置于下层chamber，通过共培养液模拟可溶性因子的作用，研究巨噬细胞分泌的IL-10对肿瘤细胞增殖的影响；-微流控芯片：构建具有“肿瘤区域”和“微环境区域”的芯片通道，通过微通道连接模拟体内血管-组织界面，可实现实时动态观察肿瘤细胞与免疫细胞的相互作用（如T细胞浸润肿瘤类器官的过程）。类器官-微环境共培养体系的构建策略基质包埋法：将类器官与ECM成分共包埋ECM是TME的重要组成部分，通过将肿瘤类器官与ECM（如胶原蛋白I、Matrigel）共包埋，可模拟肿瘤组织的物理硬度和三维结构。例如：将乳腺癌类器官包埋在高浓度胶原蛋白I（模拟CAFs活化后的ECM刚度增加）中，观察到肿瘤细胞中YAP/TAZ信号通路激活，增殖和侵袭能力增强，揭示了ECM刚度对肿瘤进展的调控作用。类器官模型解析肿瘤-微环境相互作用的分子机制免疫细胞与肿瘤细胞的相互作用机制肿瘤微环境中的免疫细胞是抗免疫治疗的核心靶点。利用类器官-免疫细胞共培养体系，可深入解析：-T细胞耗竭的机制：肺癌类器官与CD8+T细胞共培养，发现肿瘤细胞通过分泌PD-L1和腺苷，诱导T细胞表达PD-1、LAG-3等抑制性分子，功能逐渐耗竭；若阻断PD-1/PD-L1通路，T细胞细胞因子（IFN-γ、TNF-α）分泌恢复，杀伤能力增强；-巨噬细胞极化对肿瘤的影响：胶质瘤类器官与单核细胞共培养，在IL-4刺激下巨噬细胞极化为M2型，分泌VEGF和IL-10，促进肿瘤血管生成和免疫抑制；而在IFN-γ和LPS刺激下，巨噬细胞极化为M1型，分泌NO和TNF-α，抑制肿瘤细胞增殖。类器官模型解析肿瘤-微环境相互作用的分子机制基质细胞与肿瘤细胞的相互作用机制CAFs是TME中最重要的基质细胞之一，通过“教育”肿瘤细胞促进进展。类器官模型揭示了CAFs与肿瘤细胞互作的分子网络：01-CAFs的“代谢支持”作用：胰腺癌类器官与CAFs共培养，CAFs通过糖酵解产生乳酸，经MCT1转运至肿瘤细胞，为肿瘤细胞提供能量（“乳酸穿梭”机制），抑制肿瘤细胞凋亡；02-CAFs介导的ECM重塑：肝癌类器官与CAFs共培养，CAFs分泌MMP9降解ECM中的层粘连蛋白，释放隐藏的生长因子（如TGF-β），激活肿瘤细胞的整合素β1/FAK信号通路，促进迁移。03类器官模型解析肿瘤-微环境相互作用的分子机制代谢重编程在肿瘤-微环境互作中的作用肿瘤微环境的代谢异常是肿瘤进展的重要驱动力。类器官模型结合代谢组学技术，可解析肿瘤细胞与微环境细胞的代谢对话：-缺氧与代谢重编程：在低氧条件下培养结直肠癌类器官，肿瘤细胞通过上调HIF-1α，增加GLUT1表达摄取葡萄糖，同时将糖酵解产物乳酸分泌至微环境，抑制T细胞浸润（乳酸通过阻断T细胞中mTORC1信号通路）；-营养竞争：卵巢癌类器官与CAFs共培养，CAFs通过高表达氨基酸转运体ASCT2，竞争性摄取谷氨酰胺，导致肿瘤细胞谷氨酰胺缺乏，诱导自噬以维持生存。类器官模型在肿瘤微环境研究中的技术突破单细胞测序与空间转录组学的联合应用类器官模型结合单细胞测序（scRNA-seq）和空间转录组学（SpatialTranscriptomics），可解析肿瘤-微环境互作的细胞异质性和空间分布：-scRNA-seq揭示细胞亚群互作：对乳腺癌类器官-免疫细胞共培养体系进行scRNA-seq，发现肿瘤细胞中存在“免疫逃逸亚群”（高表达PD-L1和CD47），而T细胞中存在“耗竭亚群”（高表达TIM-3和LAG-3），通过配体-受体互作分析（如PD-L1:PD-1）揭示互作网络；-空间转录组定位互作位点：对结直肠癌类器官进行空间转录组测序，可直观观察到CD8+T细胞与肿瘤细胞的空间接触区域，以及该区域中免疫检查点分子（PD-L1、CTLA-4）的表达热点，为免疫治疗靶点提供空间定位依据。类器官模型在肿瘤微环境研究中的技术突破CRISPR-Cas9基因编辑筛选关键互作分子1利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，可在类器官中特异性敲除微环境相关基因（如CAFs中的TGF-β1、肿瘤细胞中的PD-L1），结合共培养体系筛选关键互作分子：2-筛选CAFs中的促肿瘤基因：构建CAFs来源的CRISPR文库，与肝癌类器官共培养，通过高通量测序发现CAFs中的FAP基因敲除后，肿瘤细胞增殖和迁移能力显著下降，证实FAP是CAFs促肿瘤的关键分子；3-筛选肿瘤细胞的免疫逃逸基因：在黑色素瘤类器官中敲除PD-L1，与T细胞共培养后，肿瘤细胞杀伤效应增加，进一步验证PD-L1作为免疫治疗靶点的有效性。类器官模型在肿瘤微环境研究中的技术突破类器官芯片构建动态微环境模型传统类器官培养多为静态环境，难以模拟TME的动态变化（如血流、压力、剪切力）。类器官芯片（Organ-on-a-chip）通过微流控技术构建动态微环境：-血管化类器官芯片：将内皮细胞与肿瘤类器官共培养在微流控芯片中，灌注培养基模拟血流，形成血管网络，研究肿瘤细胞通过血管内皮细胞转移的过程；-免疫响应芯片：构建包含肿瘤类器官、免疫细胞和内皮芯片的“肿瘤-免疫-血管”芯片，动态监测肿瘤细胞在免疫攻击下的存活和逃逸机制，为免疫治疗提供更贴近临床的模型。05类器官模型在肿瘤微环境研究中的临床转化价值药物筛选与个体化治疗指导肿瘤类器官保留了患者肿瘤的药物反应谱，结合微环境共培养体系，可更准确地预测药物疗效，指导个体化治疗：-化疗药物敏感性预测：对胃癌患者来源的类器官进行含CAFs共培养的药物筛选，发现对5-FU耐药的类器官中，CAFs分泌的IL-6上调肿瘤细胞中的ABCB1基因（编码P-糖蛋白），导致药物外排增加；若联合IL-6抑制剂，可逆转耐药，为临床联合用药提供依据；-免疫治疗疗效预测：黑色素瘤类器官与自体T细胞共培养，检测PD-1抗体的肿瘤杀伤效果，发现高肿瘤突变负荷（TMB）和PD-L1高表达的类器官对免疫治疗更敏感，与临床患者疗效一致，可作为免疫治疗疗效的预测工具。肿瘤微环境靶向药物的研发传统药物筛选多针对肿瘤细胞，而TME是重要的治疗靶点。类器官-微环境共培养体系可筛选靶向微环境的药物：-靶向CAFs的药物：在胰腺癌类器官-CAFs共培养体系中筛选小分子化合物，发现抑制剂（如针对FAP的抑制剂）可抑制CAFs活化，减少ECM沉积，促进化疗药物渗透；-免疫调节剂筛选：利用肺癌类器官-PBMCs共培养体系，筛选可增强T细胞浸润的化合物（如CXCR4抑制剂），发现其能阻断肿瘤细胞分泌的CXCL12，减少T细胞在肿瘤边缘的“滞留”，促进T细胞浸润肿瘤内部。肿瘤微环境动态监测与预后评估肿瘤微环境的状态与患者预后密切相关。通过类器官模型监测微环境组分的变化，可辅助预后评估：-CAFs密度与预后：结直肠癌患者术后组织建立类器官，检测CAFs标志物（α-SMA、FAP）的表达，发现高CAFs密度类器官的患者术后复发风险显著增加，提示CAFs可作为预后的生物标志物；-免疫浸润特征与预后：对肝癌类器官进行scRNA-seq，分析免疫细胞亚群比例，发现高CD8+/Treg比值的患者总生存期更长，为预后评估提供新的维度。06挑战与展望：迈向更精准的肿瘤-微环境互作研究挑战与展望：迈向更精准的肿瘤-微环境互作研究尽管类器官模型在肿瘤微环境研究中展现出巨大潜力，但仍面临诸多挑战，需要技术革新和跨学科合作来突破：当前类器官模型的主要局限性033.免疫组分来源差异：多数研究使用外周血来源的免疫细胞，而非肿瘤浸润免疫细胞，其表型和功能与TME中的免疫细胞存在差异；022.动态性不足：传统类器官培养为静态环境，难以模拟TME的血流、压力、炎症波动等动态变化；011.微环境组分不完整：目前多数类器官模型仅包含部分微环境细胞（如CAFs、免疫细胞），缺乏血管、神经等关键组分，难以模拟TME的完整生态；044.长期培养稳定性问题：类器官在长期传代过程中可能出现遗传漂变和表型分化，影响结果的可重复性。未来发展方向与技术突破11.构建“多组分整合”的类器官模型：通过将内皮细胞、神经细胞、脂肪细胞等微环境组分与肿瘤类器官共培养，或利用3D生物打印技术构建包含多种细胞的三维结构，模拟更完整的TME；22.开发“动态微环境”培养系统：结合微流控、器官芯片等技术，模拟血流、剪切力、机械应力等物理信号，构建动态培养平台，更接近体内的TME状态；33.“患者来源”微环境细胞的整合：分离患者肿瘤浸润的免疫细胞、CAFs等，与患者来源的肿瘤类器官共培养，构建“自体化”共培养体系，提高临床相关性；44.多组学技术与人工智能的融合：结合单细胞测序、空间转录组、代谢组等多组学数据，利用人工智能算法解析肿瘤-微环境互作的复杂网络，预测治疗响应和耐药机制。从基础研究到临床应用的转化路径类器官模