Adv Sci: 复旦大学附属肿瘤医院华国强/彭俊杰团队多组学发现结直肠癌肝转移类器官具有预测患者临床化疗反应及预后的潜能

2022-10-20 09:19:30, 莫少波 上海吉凯基因医学科技股份有限公司



结直肠癌(CRC)已成为全球第三大常见恶性肿瘤,肝脏是CRC血行转移最主要的靶器官。结直肠癌肝转移(CRLM)是CRC治疗的重点和难点之一。肝转移(LM)也是CRC患者最主要的死亡原因。考虑到CRLM的复杂性,标准化治疗模式仍在不断探索和改进中,辅助治疗的有效性仍存在争议。来源于患者的类器官(PDO)可通过对患者个体的特定组织在体外进行特殊处理之后获得。研究表明,PDO可作为临床前模型预测患者对治疗的反应。CRLM患者来源类器官临床应用价值尚需要进一步的证据支持。



近日,复旦大学附属肿瘤医院华国强教授与彭俊杰教授合作在Advanced Science上发表题为Patient-derived organoids from colorectal cancer with paired liver metastasis reveal tumor heterogeneity and predict response to chemotherapy的研究论文。该论文首次报道了来源于CRLM患者原发灶及配对肝转移灶的类器官生物库,并从组织病理学、基因组学、转录组学和单细胞测序等多组学维度分析了该生物库的特征,对类器官生物库队列做出了重要补充;同时还评估了CRLM类器官预测化疗反应和临床预后的有效性,为CRLM来源类器官预测联合药物化疗(FOLFOX/FOLFIRI)提供了进一步的证据支持,助力临床精准治疗。

研究思路及方法

1. 构建CRLM类器官生物库

作者首先从接受手术治疗的36名CRLM患者中获得了72例手术组织样本,共成功培养了58个CRLM类器官(总成功率80.6%),包括31个CRC类器官(86.1%)和27个LM类器官(75.0%)。剔除了失败案例及未配对成功的类器官后,作者最终将50例来自25名CRLM患者原发灶及配对肝转移灶的类器官模型纳入后续的研究分析。在分析影响CRLM类器官体外构建的因素时,作者发现临床参数不影响PDO培养成功率。进一步分析显示CRC类器官培养失败的主要原因是细菌污染(5.6%)和传代或扩增失败(5.6%);而LM类器官培养的主要失败原因是传代或扩增失败(14%),但细菌污染因素仅占2.7%。



2. CRLM类器官高度复现了其来源病灶的组织学形态及特征标志物的表达模式

CRLM类器官高度复现了其来源病灶的病理学特征,其在生长速度和形态上表现出极大的多样性。CRC及配对LM类器官具有相似的特征,但也保留了各自的异质性。作者检测了CRC相关重要分子标记的蛋白表达,发现Ki67、CDX2、β-catenin、CK-pan和CK20在CRLM类器官和来源肿瘤中的表达模式是一致的。同样地,MMR相关蛋白(MLH1、MSH6、MSH2和PMS2)也在PDO中得到相应表达。



3. CRLM类器官的基因组特征、肿瘤演化及异质性

作者对CRLM类器官及其来源肿瘤组织进行了全外显子测序,发现CRLM类器官保留了匹配肿瘤的突变图谱。CRLM类器官与其来源肿瘤组织(CRC及LM组织)在包括总突变负荷,突变类型和代表性基因突变等方面的基因突变谱表现出高度一致。此外,作者使用跟踪克隆进化的算法发现CRLM类器官亦能够成功捕获肿瘤异质性和肿瘤进化。



4. CRLM类器官的基因表达谱分析

随后,作者通过转录组测序分析了CRLM类器官的基因表达特征。作者发现不同CRLM患者的PDO表现出更多的肿瘤异质性。尽管来自同一CRLM患者原发灶和转移灶的PDO也表现出不同程度的异质性,但它们在转录组层面上更多地表现为紧密的关联性。接着,作者将CRLM类器官进行了CMS分型,结果表明,CMS2型(44%)和CMS4(34%)型最为常见,而CMS3最罕见。



5. CRLM类器官的单细胞转录组测序分析

紧接着,作者对CRLM类器官进行单细胞转录组分析发现, CRC和LM来源的类器官在自发分化方面存在显著差异,但随后的CMS分型结果表明,CRC与LM来源的类器官均主要表现出CMS2这一亚型的典型特征。作者通过GO富集和随后的基因评分分析,观察到LM类器官中肿瘤干细胞的细胞周期活动和与再生相关的生物过程均显著上调,表明LM类器官中的肿瘤干细胞比CRC具有更高的自我更新潜能。随后,作者通过使用scVelo进行细胞轨迹分析来说明肿瘤干细胞和成熟样细胞之间的谱系关系。有趣的是,CRC类器官中大量肿瘤干细胞显示出向成熟细胞分化的趋势,而LM类器官中的成熟细胞显示向干细胞去分化的趋势,突出了肿瘤干细胞在肝转移灶中的自我更新能力。



6.CRLM类器官对5-氟尿嘧啶(5-FU)、伊立替康(CPT11)和奥沙利铂的体外药物反应

5-FU、CPT11和奥沙利铂被认为是最重要的一线化疗药物,已被证明对CRLM的治疗有益。作者在体外分别测试了CRLM类器官对5-FU、CPT11和奥沙利铂的药物反应,发现PDO对5-FU、CPT11或奥沙利铂单药治疗的体外化疗敏感性不同。结果表明,5-FU的PDO 50%抑制浓度(IC50)中位数值为8.07μM(0.36μM~82.28μM),CPT11的IC50为4.48μM(0.56μM~43.46μM)和奥沙利铂的IC50为38.02μM(9.08μM~101.30μM)。此外,作者还探讨了同一CRLM患者的CRC和配对LM类器官的化疗敏感性差异。结果表明,同一CRLM患者对5-FU、CPT11或奥沙利铂的CRC和配对LM类器官的药物敏感性没有显著差异。5-FU(Spearman r=0.845)、CPT11(Spearman r=0.800)和奥沙利铂(Spearman r=0.813)的CRC类器官的IC50与来自同一CRLM患者的LM类器官的体外药敏性呈高度相关(p˂0.001)。鉴于CMS分型对化疗和预后的影响,作者在体外检测了不同CMS亚型中CRLM类器官对三种药物的化疗敏感性。结果表明,CMS1亚型CRLM类器官在体外对5-FU、CPT11和奥沙利铂的化疗反应最差。



7. PDO具有预测CRLM患者的化疗反应和临床预后的潜能

最后,作者分析了CRLM类器官体外药敏结果与患者临床治疗反应及临床预后(无进展生存期,PFS)的关系。结果表明,CRLM类器官体外联合药敏结果与患者的临床治疗反应高度相关,其预测临床FOLFOX和FOLFIRI联合治疗方案的AUC分别为0.850和0.920;同时,其预测CRLM患者接受不同治疗方案的临床预后PFS的AUC分别为0.714(接受FOLFOX方案治疗)和0.750(接受FOLFIRI方案治疗)。由此表明,CRLM患者来源PDO显示出预测患者临床治疗反应(FOLFOX/FOLFIRI)和临床预后的潜力,可助力临床精准治疗。 


研究总结

该研究成功构建了来源于原发性肿瘤和配对肝转移病灶的CRLM类器官生物库,并从多组学水平(组织病理学、基因组、转录组和单细胞转录组)进行了综合分析。CRLM类器官成功捕获患者内与患者间的肿瘤异质性,且在预测CRLM患者的化疗反应和临床预后方面具有潜在作用。



作者简介

复旦大学附属肿瘤医院大肠外科莫少波博士、复旦大学放射医学研究所唐培源硕士和复旦大学附属肿瘤医院大肠外科博士研究生罗文钦为该论文共同第一作者。复旦大学附属肿瘤医院华国强教授和复旦大学附属肿瘤医院大肠综合治疗科主任彭俊杰教授为该论文共同通讯作者。


左二:华国强教授;左一:莫少波博士;右二:唐培源硕士


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