肺癌是我國惡性腫瘤發病率及死亡率排名首位的癌種，同時發生惡性漿膜腔積液 (MSE)的晚期肺癌患者的預后明顯更差。預測局部晚期或轉移性肺癌患者的腫瘤類器官是精準醫學中預測臨床對治療反應的一種潛在方法。然而，由于難以生成純腫瘤類器官，其在肺癌中的臨床應用鮮有報道。

2023年1月，廣東省人民醫院楊衿記教授團隊在Cell Reports Medicine（IF 16.988）期刊上發表了題為“Using patient-derived organoids to predict locally advanced or metastatic lung cancer tumor response: A real-world study”的文章。該研究首次大規模收集晚期肺癌患者的漿膜腔積液（MSE）或腫瘤組織成功培養了162例類器官模型，并基于類器官的藥物敏感性測試（LCO-DST）結果預測了LCOs臨床療效的準確性，且發現了LCOs具有預測聯合治療方案的巨大潛力。此外通過4D-Labelfree蛋白組學方式揭示了雙靶向治療明顯觸發細胞死亡的分子機制。中科新生命為該研究提供了4D-Labelfree蛋白質組學技術服務。
 

 研究材料

肺癌類器官（LCOs）

 技術路線

步驟1：患者源性肺癌類器官的建立及其病理、基因組分析；

步驟2：LCOs可預測患者對靶向治療和化療的臨床反應；

步驟3：來自多個樣本的LCOs顯示LCO藥物反應的穩定性和異質性；

步驟4：LCO藥物篩選預測雙靶向治療的臨床反應；

步驟5：LCOs的蛋白質組學研究揭示雙靶向治療的分子機制。

 研究結果

1. 患者源性肺癌類器官的建立及其病理、基因組分析

在本研究中，作者共收集了107名晚期癌癥患者的214例樣本用于生成類器官，成功建立了162例LCOs（肺癌類器官）（圖1A）。其中132例LCOs來源于肺癌患者的惡性漿膜腔積液（MSE）樣本，建模成功率高達81.5%。

作者首先通過HE染色和IHC免疫組化方法將LCOs與原始組織進行形態和病理的比較分析,結果發現類器官樣本與同源的臨床樣本一致率為77.6%，表明LCOs保留了原始腫瘤組織或MSE的組織病理學特征并可反映其個體特征（圖1左）。

隨后作者對LCOs與臨床樣本的基因組的一致性進行驗證（以MSE衍生的LCOs和MSE基因組作為參照）（圖1右），結果發現類器官樣本所有體細胞突變的敏感性達到70.1%，特異性為97.7%。表明MSE和LCOs樣本之間的基因組譜具有可接受的一致性。

圖1 肺癌類器官樣本與同源臨床樣本的病理學（左）分析和基因組分析（右）

2. LCOs可預測患者對靶向治療和化療的臨床反應

作者隨后開展了基于類器官模型的靶向治療和化療的敏感性試驗來預測臨床腫瘤療效。作者將來自36例臨床方案與LCO-DST（類器官的藥物敏感性測試）結果相同的患者的54例LCOs分為四組:奧希替尼、化療、雙靶向治療和其他靶向治療組。類器官藥敏結果和臨床療效的一致性分別為 86.7%, 83.3%, 100%, 和70.6%，總體的準確率為83.3%（45/54）。通過LCO-DST的結果與其對臨床治療的指導結果進行比較分析，證實使用LCO-DST可以準確預測大多數患者的臨床反應、對靶向治療藥物的耐藥性以及對化療的反應(圖2)。
 

圖2 LCOs預測對靶向治療和化療的個性化反應

3. 來自多個樣本的LCOs顯示LCO藥物反應的穩定性和異質性

除了模型的成功率和純度，使用腫瘤類器官進行藥物篩選的另一個挑戰是實驗穩定性。此外，腫瘤間和腫瘤內的一致性對于臨床治療也是一項巨大的挑戰。為此作者收集了同一患者的不同樣本（在不同時間提取MSE樣本）、不同患者的不同部位進行類器官培養，并進行體外LCO藥物反應，實驗表明在這兩種不同類型的樣本中，LCO-DST均保持了結果的穩定性（圖3）。
 

圖3 來自多個樣本的LCOs顯示了LCO藥物反應的穩定性和異質性

4. LCO藥物篩選預測雙靶向治療的臨床反應

晚期肺癌患者對單一抗癌藥物的耐藥性是很常見的，因為先采用LCO-DST進行聯合靶向治療效果的體外評價，對于腫瘤患者的臨床治療是非常有幫助的。作者選擇兩例晚期肺腺癌的典型案例：一例EGFR基因突變合并原發MET基因擴增，另外一例EGFR基因突變合并獲得性RET基因融合。結果表明相比于單一靶向藥物，聯合靶向治療（奧希替尼+賽沃替尼/卡博替尼）對腫瘤的控制率更高，并且在臨床治療中得到證實，雙靶聯合治療均達到了部分緩解（PR）的療效。此外，結果也證明了LCO-DST作為預測聯合治療方案的巨大潛力（圖4）。
 

圖4 LCO藥物篩選預測雙靶向治療的臨床反應

5. LCOs的蛋白質組學研究揭示雙靶向治療的分子機制

為進一步探索雙靶向治療的分子機制，作者進行了4D-Labelfree蛋白組學分析（組別設置：對照組（EGFR突變合并RET融合）、單靶向治療組（osimertinib/BLU-667治療）和雙靶向治療組）。共鑒定到4865個蛋白質。顯著性差異蛋白分析發現與腫瘤細胞的存活密切相關的多個蛋白家族發生改變：引發細胞凋亡的關鍵因子caspase 3的表達顯著升高， EGFR和RET的下游蛋白如RAC、PI3K、MEK的表達下調，MOB1和MST1/2水平顯著降低，生存相關基因的關鍵轉錄因子YAP表達水平下降。這些結果均表明，與單一藥物處理相比，雙靶向處理顯著觸發了細胞死亡（圖5）。

圖5 LCOs的蛋白質組學研究揭示雙靶向治療的分子機制

 小結

本研究中，成功建立了肺癌類器官模型，并基于肺癌類器官的藥敏試驗準確地預測了晚期肺癌患者抗腫瘤治療的臨床療效，提示腫瘤類器官可作為肺癌的體外模型，其藥敏試驗可作為晚期肺癌的精準醫學或個體化醫療的有效預測工具。此外，雙靶向治療機制的研究對于詮釋雙靶向治療的療效提供了有力的依據。
 

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