126例肉瘤患者的194个PDTO：揭示肿瘤耐药性与敏感性

本文来源：盛合瑞类器官、类器官学社

肉瘤是一种罕见的恶性肿瘤，有超过100种不同的组织学亚型。它们的罕见性和异质性给确定有效疗法带来了重大挑战，而已批准的治疗方案显示出不同的应答。在一项最近的研究中，加利福尼亚大学洛杉矶分校Alice Soragni及其同事通过从多种罕见肉瘤中快速生成个性化类器官模型，系统地研究了肉瘤的药物敏感性和耐药性，肉瘤药物应答情况的整体分析具有超越精准医学应用的效用。

文章介绍

• 题目：The landscape of drug sensitivity and resistance in sarcoma（肉瘤的药物敏感性和耐药性）

• 杂志：Cell stem cell

• 影响因子：19.8

• 发表时间：2024年9月

#1

研究背景

Background

肉瘤是一种罕见的恶性肿瘤，主要发生于骨骼和软组织，不成比例地影响年轻患者。肉瘤发病率低，但死亡率高。治疗方案包括手术切除、化疗、靶向全身治疗和某些病例的放疗。尽管对特定亚型的治疗取得了重大进展，但目前的治疗方法很少能治愈软组织肉瘤。肉瘤的异质性表现为超过100种不同的亚型，为治疗带来了极大的挑战。精准医学方法作为确定每个患者可采取行动的特征和改善结局的工具，逐渐引起越来越多的关注。由于基因多样性，以及通过常规或精准医学选择的化疗和靶向药物的疗效有限，因此迫切需要确定其他方法，以系统评估肉瘤的药物敏感性和耐药性，并确定个体化治疗方案。在这里，研究人员将基于患者来源的类肿瘤器官（PDTOs）的功能检测作为肉瘤中基于遗传学的精准医学的替代方法，发现患者和亚型特异性应答与临床特征和结局相关，并为大多数样本确定了可操作的治疗方案。

#2

研究思路

Methods

研究团队利用来自194个样本的患者来源的肿瘤类器官（PDTOs）研究了24种肉瘤类型的药物敏感性和耐药性。研究人员描述了获取和生成肉瘤PDTOs的流程，包括用于表征母细胞肿瘤和PDTOs的组织病理学，以及利用快速三维类器官筛选平台的测序和高通量药物检测，在24种肉瘤类型中观察到的药物敏感性和耐药模式突出了亚型特异性和患者特异性的脆弱性，突显了类器官在功能性精准医学应用中的潜力。

#3

研究结果

Results

1. 软组织和骨肉瘤PDTOs的建立和鉴定

研究人员从2018年2月至2022年5月在UCLA接受治疗的126例肉瘤患者中收集了194例肉瘤标本（图1），并对类器官和亲本组织进行了详细的组织病理学分析（图2）。研究人员采用系列明视野成像来定量评估离体类器官的生长，并通过应用基于U-net机器学习的分割算法量化生长期。RNA-seq分析表明，在基因组多样性的肉瘤及其各自的类器官之间，分子特征一致，且类器官和原发肿瘤对的Spearman秩系数均高于0.8。数据表明，来自各种肉瘤亚型的PDTOs在显示不同的体外生长动力学的同时，保留了原始肿瘤的关键组织学和分子特征。

图1 患者来源的肿瘤类器官获取、患者人口统计学和样本特征概述

图2 肉瘤类器官在培养物中生长，并重现亲代肿瘤的关键形态特征

2. 肉瘤类器官在高通量药物筛选实验中对治疗的敏感性的不同反应

研究人员对肉瘤PDTOs单药或联合化疗或靶向药物进行了测试（图3）。SARC0021是一种滑膜肉瘤，但对曲美替尼高度敏感，但对帕唑帕尼、哌柏西利、雷帕霉素和依维莫司的耐药性最强；来自SARC0086_3 PEComa的PDTOs对哌柏西利的敏感性最高，但对帕唑帕尼和索拉非尼-依维莫司联合治疗有很强的耐药性；来自去分化软骨肉瘤SARC0014的PDTOs对雷帕霉素高度敏感，但对依维莫司耐药；研究人员还发现在活检和肿瘤切除样本间药物敏感性存在明显差异。总之，各种肉瘤的药物敏感性谱显示出不同的反应模式，突显了该方法在识别独特的耐药和有效病例，以便制定个性化策略方面的效用。

图3 肉瘤类器官在高通量药物筛选实验中对治疗的敏感性显示出一系列反应

3. 与药物反应相关的临床特征

接下来，研究人员根据临床特征对肉瘤样本进行分组并进行了与上述相同的分析（图4），发现少量化合物表现出对某些特征的肿瘤产生了生存力评分差异；患者年龄与应答模式相关；与原发或复发肿瘤相比，转移性肉瘤PDTOs表现出对degrasyn反应增强的趋势；疾病进展患者的PDTOs对达沙替尼、雷帕霉素和吉非替尼的耐药性显著增加；快速进展的肿瘤对ROCK抑制剂噻唑威宁以及索拉非尼和芦可替尼的敏感性增加。

图4 肉瘤类器官敏感性与临床特征相关

4. 药物反应的靶点分析突出了肉瘤中脆弱的生物学通路

随后，研究人员对肉瘤类器官的药物敏感性谱进行了全面分析，以确定影响药物应答的分子通路（图5）。发现虽然在每种药物的分析中观察到差异，但来自同一患者的样本有聚类的趋势，这一模式适用于SARC0103、SARC0078、SARC0075、SARC0139和SARC0053，这提示，无论肿瘤类型、肿瘤位置、手术时机或对特定药物的应答有何差异，来自同一患者的肉瘤在分子通路上具有共同的主要弱点。此外，除了一些例外，肉瘤样本总体上不按组织学分组，这突出了肉瘤亚型内的个体异质性。研究人员还发现，一个由9个样本组成的集群在氧脂素代谢通路和部分胰岛素信号通路方面存在脆弱性；在来自各种组织学亚型的更广泛的17个样本中，炎症相关通路被列为高度影响通路。总体而言，这一通路分析显示了PDTOs如何捕获患者特异性特征和易感性，但往往超越目前决定其治疗的组织学亚型。

图5 药物敏感性模式揭示了脆弱的生物通路

5. PDTOs选择药物的临床可用性：可行性路线图

研究人员对该方法确定的药物敏感性的可操作程度进行研究，使用单药和联合治疗的生存能力评分生成了每个样本的前5个最有效方案的排序列表，并根据NCCN指南，FDA的状态及建议对确定的药物进行了注释（图6）。通过诊断聚集药物后，研究人员确定了n = 203个药物-诊断对，即在至少1例特定亚型肉瘤患者中发现有效的分子，能够验证特定适应证的批准状态。在这203种药物中，有4%被FDA批准用于治疗体外敏感的同一类型肉瘤，而31%被批准用于其他癌症。研究人员根据NCCN指南对一线或二线治疗中使用的药物进行了分类，骨肉瘤的常规一线治疗是联合MAP。研究人员在骨肉瘤PDTOs中观察到对MAP的预期敏感性，但在测试的样本中，这一方案并不属于最有效的5种方案。在二线方案中，吉西他滨和多西他赛的联合方案在骨肉瘤PDTOs中产生了最高的反应，多种二线治疗方案在一小部分患者中有效，包括瑞戈非尼、卡博替尼、多西他赛和吉西他滨。筛查结果反映了临床观察到的应答情况的广泛异质性，功能性精准医学方法可能有助于为每例患者匹配最佳治疗方案。

图6 由药物批准状态决定的PDTOs预测的可操作性

6. 类器官提供基因组和诊断信息

功能筛查和基因组测序均可为确定疾病驱动因素和治疗线索提供线索。在某些类型的肿瘤中，PIK3CA基因突变与对PI3K抑制剂（如阿培利司）的临床应答相关。一种转移性未分化梭形细胞肉瘤（USS，SARC0117）携带PIK3CA H1074L点突变，其PDTOs是对阿培利司反应最强的肿瘤之一；相反，来自SARC0134的转移组织显示无应答。有趣的是，对阿培利司最有应答的SARC0069_2是来源于PIK3CA基因无突变的原发性骨肉瘤的PDTOs，这强调了类器官既可以验证测序结果，又可以识别生物标志物阴性应答者。

研究人员在SARC0117上测试了8种mTOR/PI3K通路抑制剂，该样本位于对apitolisib、阿培利司、可泮利塞、BGT226和vistusertib最敏感的前3个样本之列，表明在整个类别中均有强烈应答，这与驱动该疾病的PIK3CA突变相符。然而，对同一类药物的敏感性可能不同。例如，RMS SARC0133对FGFR靶向药物英菲格拉替尼的敏感性最高，但SARC0133对其他FGFR靶向分子（如多韦替尼）的应答最低，这表明功能筛选能够区分同类药物的活性。

研究人员比较了两组样本的PDTOs筛查结果和临床结局。SARC0041—‡、SARC0064—‡和SARC0135—‡是来自未经治疗的骨肉瘤患者的诊断性活检，在活检和肿瘤切除之间，所有患者均接受了新辅助治疗标准MAP。发现切除后，SARC0041和SARC0054的肿瘤组织分别有99%和95%的坏死，而SARC0135只有60%的坏死，表明新辅助治疗后肿瘤坏死与骨肉瘤的临床结局相关。体外实验表明，骨肉瘤对新辅助治疗的类器官应答与短期组织学应答（手术时的坏死）和长期患者结局（无进展生存期）相关（图7）。数据支持PDTOs在预测肉瘤治疗应答方面的潜在效用。

图7 类器官提供基因组和诊断信息

小结

该研究建立了肉瘤类器官并系统地研究了肉瘤的药物敏感性和耐药性，证明了从多种罕见肉瘤中快速生成个性化类器官模型的可行性，证实了在单一机构中开发大规模功能性精准医疗转化管道的可行性。

参考文献

Al Shihabi A, Tebon PJ, Nguyen HTL, Chantharasamee J, Sartini S, Davarifar A, Jensen AY, Diaz-Infante M, Cox H, Gonzalez AE et al: The landscape of drug sensitivity and resistance in sarcoma. Cell stem cell 2024. DOI: 10.1016/j.stem.2024.08.010.

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本文来源：盛合瑞类器官、类器官学社