用于癌症研究的新兴类器官-免疫共培养模型：从肿瘤免疫学到个性化免疫疗法

作为过去十年中最重要的发明之一，免疫检查点抑制剂（ICI）疗法彻底改变了癌症治疗模式。到目前为止，一些免疫治疗靶点在治疗具有免疫原性特征的肿瘤方面显示出有希望的结果。免疫治疗耐药性可由多种机制诱发，其中包括新生血管形成、代谢变化、抗原呈递不足和不可逆的 T 细胞耗竭。肿瘤的异质性和治疗耐药性也进一步干扰了新免疫疗法的早期开发，此外，肿瘤内和肿瘤间的异质性以及患者之间不同的免疫反应谱使这些疗法的开发复杂化。考虑到所描述的问题和并发症，通过开发个性化疗法来考虑患者之间的肿瘤异质性，可能会在及时干预和成本效益方面使这些患者受益匪浅。

在药物开发的早期阶段，为了确定药物筛选过程中的治疗效率，传统上使用二维（2D）细胞系。虽然这些培养物价格便宜且易于维护，但它们既无法模拟体内肿瘤的空间结构与异质性，也无法反映肿瘤细胞之间及肿瘤微环境间的相互作用。在过去的十年中，患者来源的三维（3D）类器官培养物已经被开发出来，由肿瘤活检中分离的上皮肿瘤细胞生长的复杂的多细胞结构组成，通常生长在细胞外基质中，如Matrigel。由于类器官仍然缺乏自体免疫成分，这对于确定患者特异性免疫治疗反应是必要的。因此，目前正在开发共培养类器官和自体免疫成分的新策略。事实上，这些策略可能有利于高通量预测患者特异性免疫治疗反应。此外，共培养可能进一步为TME中的细胞相互作用提供关键见解，揭示新的治疗靶点，并有助于疫苗开发的生物标志物和新抗原发现。

今年，在荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯医学中心胃肠病学和肝病学实验室的一篇综述中，概述了患者特异性肿瘤类器官-免疫共培养模型的发展，以研究肿瘤特异性免疫相互作用及其可能的治疗机制，还讨论了这些模型在提高个性化治疗效果和理解肿瘤微环境方面的应用。总体而言，这些肿瘤-免疫共培养物可能在开发患者特异性治疗方法方面具有广阔的前景，并增加了我们对肿瘤-免疫相互作用的理解。具体内容发表在 The Journal for ImmunoTherapy of Cancer 期刊题为“Emerging organoid-immune co-culture models for cancer research: from oncoimmunology to personalized immunotherapies”。

无论类器官和免疫细胞是自体的还是同种异体的，最广泛研究的是所谓的直接共培养，包括在肿瘤免疫浸润附近生长的类器官（图1）。通常，类器官和免疫细胞在开始共培养之前首先在它们自己独特的培养基中培养。对于免疫细胞，使用的典型培养基有：RPMI 1640、DMEM或MEM。类器官是在含有特定生长因子和干细胞因子的培养基中培养的，这些因子是所用类器官亚型所必需的。两种培养基都含有特定的物质，可以使每种特定的细胞类型都能有效地生长。来自不同组织来源类型的类器官对生长因子的类型有不同的需求。因此，目前还没有针对免疫细胞和类器官的通用扩增培养基。因此，对于每种共培养/疾病环境，在尝试共培养之前，应进行精确实验，以发现免疫细胞不受伤害且类器官仍能够增殖的最佳培养基。

在直接共培养中，细胞间相互作用是最佳的，因此，可以广泛研究类器官和免疫相互作用，重点是分子机制和整体细胞存活和免疫细胞扩增。此外，在共培养后，可以对细胞进行表型分析，并分析培养基中是否存在与抗肿瘤免疫相关的免疫成分（如IFNy和TNFa）释放的促炎细胞因子。相反，类器官和被破坏的免疫细胞释放的抗炎细胞因子，如IL-10和TGF-B，可能指向类器官诱导的免疫抑制微环境。影响肿瘤进展或缓解的可溶性免疫因子（如细胞因子）也可以使用间接培养方法进行评估，其中免疫细胞通过物理屏障与肿瘤细胞分离，防止细胞间直接相互作用。

图1 生成患者特异性体外三维TME表征模型。患者特异性自体肿瘤免疫共培养模型的生成示意图概述。术后切除肿瘤组织以分离肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）并生成类器官。此外，可以从患者的血液中分离出自体外周血单个核细胞（PBMCs）。这些肿瘤类器官和免疫细胞在共培养装置中被进一步用于体外重建TME。这些肿瘤免疫共培养物可以进一步用于各种临床和转化研究应用。

由于ICB治疗的临床疗效存在患者间和疾病间的差异，因此迫切需要预测患者特异性反应的新方法，类器官在这方面受到高度关注（图2）。对新筛查方法的需求主要是由于缺乏一致和可靠的生物标志物，这使得有效的治疗变得复杂。Votanopoulos等人制成了一种由类器官和自体淋巴结组成的共培养物。PD-1抑制剂pembrolizumab 或nivolumab 的加入导致一些黑色素瘤类器官的细胞活力降低。有趣的是，在85%的病例中，这种类器官反应与患者的临床反应相关。虽然没有经过彻底的测试，但该系统允许筛选在TME外发挥其功能的检查点抑制剂，例如靶向引流淋巴结中的T细胞的CTLA-4抑制剂。此外，靶向一个或多个免疫检查点或受体的新型创新抗体可以在患者特异性环境中分析其治疗效果。这些药物也可以从共培养物测试中受益，例如靶向细胞因子策略和靶向肿瘤和免疫细胞受体的双特异性抗体，最常见的是具有一个分子的 T 细胞。

图2 患者来源的类器官-免疫共培养物的转化和基础应用。临床前应用（左）侧重于（1）了解TME动力学和肿瘤免疫图景，（2）以患者特异性方式发现新抗原，用于潜在的癌症疫苗开发，（3）筛选现有ICI疗法和双特异性抗体的联合疗法。精准医疗应用（右）包括：（1）用于过继细胞转移疗法的肿瘤反应性淋巴细胞的个性化扩增，（2）针对患者的免疫检查点疗法的高通量筛选，（3）筛选和开发靶向肿瘤和肿瘤内附近免疫细胞的靶向双特异性抗体。TME，肿瘤微环境。

目前，正在开发细胞转移疗法，例如识别细胞表面癌抗原的嵌合抗原受体（CAR）淋巴细胞。大多数有希望的结果是在血液系统恶性肿瘤中观察到的，但实体瘤的临床潜力也可能存在。一项研究使用共培养证明了CAR NK细胞对CRC中TAAs的反应，尽管表达水平较低。他们还观察到一些患者对健康类器官的反应，从而可能识别出将忍受严重副作用的患者。在与胶质母细胞瘤类器官上靶向突变抗原 EGFRvIII+ 的 CAR T 细胞共培养中获得了类似的结果。CAR T 细胞能够以高度特异性的方式快速清除 EGFRvIII 类器官。在膀胱类器官的 CAR T 细胞筛选中也证明了高度特异性的细胞毒性，其中靶向MUC1的T细胞可以特异性地杀死MUC1+ 类器官。这些研究证明了CAR淋巴细胞-类器官共培养在患者特异性治疗筛选中的潜力。除了治疗测试外，类器官的患者特异性方面还可能被利用来以完全个性化的方式扩增肿瘤反应性T细胞，用于细胞转移治疗应用。该应用得到了基因显示和新/癌抗原表达数据的支持，这些数据比较了母体肿瘤和离体类器官，显示出高度相似性。因此，肿瘤反应性免疫细胞可能会从靠近类器官培养的TILs或PBMC中生长出来。

类器官-免疫共培养有可能加深我们对肿瘤免疫学的理解，并可能为更有效的个性化医疗铺平道路。然而，这种方法仍处于早期开发阶段，技术挑战仍然限制了临床前应用。最突出的局限性是从肿瘤组织生成类器官的效率相对较低。类器官生成的平均效率为36.8%，覆盖了13种不同类型的肿瘤，但在前列腺癌中可低至19%。类器官建立数量少，使其在高通量药物筛选中的使用变得复杂。因此需要进一步的研究来提高类器官的建立效率。

此外，组织可用性和/或尤其是TIL产量，可能会限制共培养设置。为了规避这个问题，PBMC可能是一种更有前途且更容易获得的免疫细胞来源。然而，必须意识到，PBMC 不会模仿 TILs 中的表型和特征，因为它们没有暴露于局部肿瘤介导的免疫调节。虽然共培养装置可以更好地模拟肿瘤免疫相互作用，特别强调患者的异质性，但它不能完全捕捉肿瘤微环境中发现的机制和相互作用。

在现阶段，共培养不能完全取代体内模型。然而，在组织切片中捕获或通过脱细胞技术检索的天然 ECM 可用作共培养模型的支架，以进一步模拟 TME。ECM在药物的可及性中也起着重要作用，并且是复杂的TME的一部分。从这种ECM中提取的水凝胶甚至可以实现生物打印，从而允许包括肿瘤细胞和其他在肿瘤进展和转移中发挥作用的细胞。因此，应进行进一步的研究，以验证这些新型肿瘤模型在临床环境中的使用，并根据患者反应数据评估它们在筛查目的中的应用。

由于对瘤间和瘤内异质性的认识不断加深，个性化医疗变得越来越重要。这种复杂性在免疫治疗策略通常只对一小部分患者有效。肿瘤-免疫共培养可用于提高我们对肿瘤-免疫相互作用的理解，更值得注意的是，作为在免疫治疗前评估患者特异性反应的工具。进一步的应用需要患者特异性转移扩增的肿瘤反应性淋巴细胞和用于疫苗开发的新抗原发现。

参考文献：Magré L, Verstegen MMA, Buschow S, van der Laan LJW, Peppelenbosch M, Desai J. Emerging organoid-immune co-culture models for cancer research: from oncoimmunology to personalized immunotherapies. J Immunother Cancer. 2023 May;11(5):e006290. doi: 10.1136/jitc-2022-006290. PMID: 37220953; PMCID: PMC10231025.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37220953/

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