清華新聞網(wǎng)6月20日電 肺癌是全球發(fā)病率和致死率最高的惡性腫瘤之一。近年來(lái)，免疫檢查點(diǎn)抑制劑（immune checkpoint inhibitors, ICIs）顯著改善了部分晚期肺癌患者的預(yù)后，但總體的患者客觀(guān)緩解率仍有待提高。當(dāng)前大多數(shù)類(lèi)器官免疫模型由于缺乏外周免疫系統(tǒng)成分，難以全面模擬腫瘤細(xì)胞與系統(tǒng)免疫細(xì)胞之間的相互作用。同時(shí)，現(xiàn)有類(lèi)器官共培養(yǎng)模型在促進(jìn)腫瘤類(lèi)器官與免疫細(xì)胞有效互作方面仍存在顯著局限。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種能夠增強(qiáng)二者互作效率的體外模型，從而更真實(shí)地重現(xiàn)患者體內(nèi)的腫瘤免疫響應(yīng)進(jìn)程。
6月12日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授劉鵬課題組在《細(xì)胞·干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）發(fā)表題為“可模擬系統(tǒng)性抗腫瘤免疫的肺癌類(lèi)器官共培養(yǎng)模型”（An organoid co-culture model for probing systemic anti-tumor immunity in lung cancer）的研究論文。該研究建立了一種臨床來(lái)源的腫瘤類(lèi)器官“膠-液界面式”（Gel-liquid interface,GLI）共培養(yǎng)免疫模型，可有效模擬肺癌患者體內(nèi)局部腫瘤微環(huán)境與外周免疫系統(tǒng)之間的互作。
本研究圍繞GLI共培養(yǎng)模型，系統(tǒng)開(kāi)展了臨床應(yīng)用探索與免疫進(jìn)程解析的多層次研究（圖1）。研究構(gòu)建了基于患者肺癌類(lèi)器官（Lung cancer organoids,LCOs）及其外周血單核細(xì)胞（Peripheral blood mononuclear cells,PBMCs）的GLI共培養(yǎng)體系，有效增強(qiáng)了類(lèi)器官與外周免疫細(xì)胞之間的互作效率。
圖1.GLI類(lèi)器官共培養(yǎng)模型解析肺癌系統(tǒng)性抗腫瘤免疫進(jìn)程
本研究設(shè)計(jì)了一種膠-液界面式超疏水微陣列芯片（Gel-liquid interface superhydrophobic microwell array chip,GLI-SMARchip），在1.5μL的液滴單元內(nèi)構(gòu)建LCOs與PBMCs的共培養(yǎng)體系。該模型使腫瘤類(lèi)器官聚集于基質(zhì)膠層表面，而PBMCs懸浮于上層培養(yǎng)基中，從而在膠-液界面形成穩(wěn)定的空間接觸，有效促進(jìn)類(lèi)器官與免疫細(xì)胞間的接觸作用，從而模擬局部TME與系統(tǒng)性免疫細(xì)胞之間的協(xié)同關(guān)系?；谠摬呗运鶚?gòu)建的小鼠及肺癌患者體外模型均呈現(xiàn)了良好的免疫細(xì)胞浸潤(rùn)與腫瘤免疫反應(yīng)進(jìn)程（圖2）。
圖2.不同種屬的GLI類(lèi)器官共培養(yǎng)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證
研究共建立了34例肺癌患者來(lái)源的GLI共培養(yǎng)模型，涵蓋腺癌、鱗癌及小細(xì)胞肺癌亞型。通過(guò)評(píng)估免疫治療（PD-1單抗或聯(lián)合化療）后的響應(yīng)指數(shù)（Responseindex,Ri），發(fā)現(xiàn)Ri與患者實(shí)際臨床療效高度一致（R=0.89）。尤其在9例接受真實(shí)免疫治療的患者中，GLI模型可準(zhǔn)確區(qū)分臨床部分緩解（PR）、疾病穩(wěn)定（SD）和疾病進(jìn)展（PD）人群。相比之下，缺乏PBMCs的類(lèi)器官單培養(yǎng)模型（LCO）未能有效預(yù)測(cè)療效，提示系統(tǒng)性腫瘤免疫的模擬對(duì)于準(zhǔn)確反映臨床免疫療效至關(guān)重要（圖3）。
圖3.GLI類(lèi)器官共培養(yǎng)模型的免疫藥敏響應(yīng)可反映肺癌臨床免疫療效
通過(guò)對(duì)共培養(yǎng)模型開(kāi)展功能性單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，可發(fā)現(xiàn)αPD1治療響應(yīng)組患者的PBMCs中存在更高比例的效應(yīng)記憶T細(xì)胞（Tem）。而擬時(shí)序與真實(shí)時(shí)間線(xiàn)組別相結(jié)合的分析共同表明，Tem在與LCOs共培養(yǎng)接觸的過(guò)程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱司哂懈呒?xì)胞毒性和激活特征的腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞（Tt-react），從而促成了更為顯著的免疫治療響應(yīng)（圖4）。
圖4.PBMCs中的效應(yīng)記憶T細(xì)胞具有腫瘤反應(yīng)性潛能
通過(guò)將腫瘤殺傷表型與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，研究鑒定出GNLY、CD44和CD9三基因在Tt-react群體中持續(xù)高表達(dá)，且與αPD1治療響應(yīng)顯著相關(guān)。這三種標(biāo)志物不僅在多例肺癌患者樣本中得到驗(yàn)證，亦在TCGA肺癌隊(duì)列中與患者總生存期（OS）呈正相關(guān)（圖5），顯示出潛在的臨床預(yù)測(cè)價(jià)值。
圖5.CD9、CD44與GNLY可共同表征外周血中具備腫瘤反應(yīng)性潛力的T細(xì)胞
進(jìn)一步歸納不同患者模型的免疫響應(yīng)模式，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)αPD1治療存在“雙響應(yīng)”（即LCO與GLI模型皆存在響應(yīng)）的患者中，其PBMCs具備更高比例的干性與增殖特征的T細(xì)胞亞群（Tprof），且其類(lèi)器官微環(huán)境中富集了促進(jìn)T細(xì)胞募集的巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞亞型；而在“單響應(yīng)”（僅GLI共培養(yǎng)模型存在響應(yīng)）的患者中，則主要依靠部分上皮細(xì)胞對(duì)T細(xì)胞的趨化作用，以及進(jìn)一步的T細(xì)胞內(nèi)部正反饋激活與招募效應(yīng)。這一現(xiàn)象進(jìn)一步表明，肺癌患者對(duì)免疫治療的響應(yīng)結(jié)果是由腫瘤微環(huán)境與外周免疫狀態(tài)共同決定的（圖6）。
圖6.具有不同免疫響應(yīng)模式的患者模型中存在的外周血T細(xì)胞與腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性
綜上所述，本研究所構(gòu)建的GLI類(lèi)器官-免疫細(xì)胞共培養(yǎng)模型，首次在體外重構(gòu)了肺癌患者系統(tǒng)性腫瘤免疫成分并模擬了相應(yīng)的腫瘤免疫響應(yīng)進(jìn)程，突破了傳統(tǒng)模型在系統(tǒng)免疫評(píng)估方面的局限。
清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授劉鵬、北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授陳曉芳、北京大學(xué)人民醫(yī)院胸外科主任醫(yī)師楊帆為論文通訊作者。清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院李?lèi)疴┦俊巢┦?，北京大學(xué)人民醫(yī)院主任醫(yī)師隋錫朝為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.05.011
供稿：生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
