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如何使用腫瘤類器官進行腫瘤藥物篩選

2020-03-09

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回顧在體外腫瘤藥物篩選程序中使用腫瘤類器官的方式和原因。

為什么使用類器官進行腫瘤藥物篩選?

在我們直接進入如何使用腫瘤類器官進行藥物篩選之前,需要回答的一個關鍵問題是為什么要使用類器官——為何不繼續使用現在使用的標準體外藥物篩選平臺?

主要答案是臨床相關性。典型的藥物研發在很大程度上依賴于永生化細胞系進行高通量篩選(HTS),同時測試靶點結合和細胞活性。盡管此方法有許多優點,但持續維持在塑料上會導致細胞系遺傳漂變、可譯性差和疾病相關性降低。所有這些導致目前在腫瘤藥物開發中觀察到高磨耗率。

盡管已使用臨床材料開發了更具預測性的模型,例如離體原代培養物或體內 患者異種移植(PDX)腫瘤模型,但這些模型并不適合HTS。對于后續研究,原代培養物受到可用組織數量和擴增的限制。

PDX在體內穩定培養,并為后期藥物開發(包括通過小鼠臨床試驗(MCT))提供了高度轉譯平臺。但是,PDX開發的時間和成本過高,并且對于高通量體外使用,這些模型尚未有效反向轉譯。

現在迫切需要早期穩健且可擴展的篩選平臺,提供臨床相關的可譯數據,以盡早指導藥物開發、患者選擇和伴隨診斷(CDx)開發。類器官有潛力填補這一空白,并提供克服當前篩選挑戰所需的體外臨床前模型。

腫瘤類器官

我們在以前的公告中廣泛撰寫了有關類器官和腫瘤類器官的背景和開發 的信息。簡而言之,患者來源的類器官是在3D中生長的干細胞或祖細胞體外產生的。類器官具有自我組織和自我更新的能力,從而導致培養皿中“微型器官”的發育。這些類器官包含多個分化的細胞譜系,這些譜系與體內起源器官具有顯著相似性。

Hubrecht Organoid Technology(HUB)的開拓性工作已經產生了穩健的方案,可以由正常和患病組織的成體干細胞開發類器官。HUB腫瘤類器官體現了其親代腫瘤的基因組、形態和病理生理學特征。這為藥物研發提供了高度臨床相關的3D體外腫瘤模型。

將腫瘤類器官冷凍保存以生成模型生物樣本庫,并在復蘇后擴增而不會失去類器官的原始身份特征。這意味著類器官是了解癌癥分子機制以及開發新療法的良好工具。腫瘤類器官還可以預測患者的治療反應,因此可提供比標準2D體外平臺更相關的體外模型。

使用腫瘤類器官進行藥物篩選

建立最大的腫瘤類器官庫來重現腫瘤的人源化

要開始使用腫瘤類器官進行腫瘤藥物篩選,第一步是要開發大量類器官模型,涵蓋廣泛的癌癥類型,類似于目前可用于小鼠臨床試驗的HTS或PDX保藏的大量細胞系。

歷史上,腫瘤類器官直接來源于患者腫瘤(患者來源的類器官或PDO)。盡管這仍然是產生密切相關模型進行篩選的高度有效的技術,但是開發必需的大量模型可能很耗時,因為必須從多種不同的癌癥中獲取患者的腫瘤組織。

一種新方法是從已獲得并有良好注釋的大量體內PDX模型中開發PDX來源類器官(PDXO)。這提供了一個獨特的機會來擴增可用的患者來源類器官模型的全部種類,包括具有一系列突變特征和藥理反應的更廣泛的癌癥適應癥。這包括反應不良或耐藥的腫瘤。

PDXO是由PDX腫瘤中發現的癌癥干細胞建立,就像PDO源自患者腫瘤一樣。基于共同的基因組多樣性、腫瘤異質性、組織病理學和對藥物的反應,成熟的PDXO和親代PDX具有生物學等效性。PDXO在多次傳代過程中也保持了相應PDX腫瘤的穩定基因組、形態和病理生理特性。

因此,這突出顯示了PDXO是一個獨特的體外平臺,其特征在于PDX模型的金標準患者相關性、傳統患者來源的類器官的可擴展性以及已生成的數千個PDX保藏的開發效率。這種組合為患者相關模型中的大規模藥物篩選提供了理想的平臺,包括組合策略測試、生物標志物識別和CDx開發。

PDXO篩選工作流程

像其他典型的HTS篩選一樣,PDXO藥物篩選是一種自動化、高度可重現且穩健的系統,目的旨在提高效率。在早期藥物開發中,PDX篩選帶來的額外優勢是高度可預測性。

從冷凍保存模型的主生物樣本庫開始,PDXO擴增為可用于HTS的工作生物樣本庫。這些PDXO生物樣本庫經過支原體測試,并通過足量的入庫、復蘇和生長圖譜分析對STR進行了分析,從而可以重復使用模型。可以從在線類器官生物樣本庫數據庫中選擇特定的類器官。然后根據需要擴增所選的PDXO,并接種到多孔板中進行藥物篩選。

篩選以類似于2D篩選的方式運行:

  • 384孔格式
  • 通常,用8個化合物的IC50值生成
  • 每板上均有陽性和陰性對照。

將測試劑與類器官一起孵育5天,以CellTiter-Glo?活力讀數或形態學評估為終點。對于多種藥劑和多種腫瘤模型,模型擴增并納入研究以進行IC50讀數和分析的過程最快可能需要5周。終點讀數可以擴展到其他生理學參數,例如細胞凋亡或高內涵成像。

腫瘤類藥物在藥物篩選中的主要優勢

通常在腫瘤藥物篩選中使用類器官有很多優勢,其中一些如上所述。篩選包括由于保留原始和表型特征以及腫瘤3D架構而增加患者相關性的類器官,已知所有這些因素都會影響藥物反應。

腫瘤類器官藥物篩選還提供了高質量讀數,例如,高信噪比和低板內變化,證明了平臺的穩健性。

PDXO篩選可在大量腫瘤模型中對化合物及其組合進行更廣泛的評估。然后可以使用匹配的PDX模型直接將研究轉移到體內建模。

腫瘤類器官和標準2D藥物篩選之間的差異

計劃類器官篩選時,需要考慮與標準2D篩選之間的一些差異。

如上所述,腫瘤類器官可以冷凍保存,然后復蘇以用于HTS入組。這可能導致導入時間略長于標準體外細胞系。

當前用于類器官篩選的384格式也沒有標準細胞系HTS的通量高。這部分是由于類器官的擴增潛力導致,因為類器官的培養和接種標準不同于2D單層培養。例如,3D培養中類器官的大小、密度和形態,以及傳代步驟需要更多的時間。

因此,在設計篩選方案以及腫瘤類器官的基因組、組織病理學和藥理學分析時,必須要有類器官培養的經驗和專業知識。

根據腫瘤類器官的臨床相關性,很明顯其他體外篩選工具無法匹配類器官篩選數據。在早期藥物研發中,如此大規模篩選的可用性令人興奮。

結論

缺乏能體現原發性患者腫瘤的臨床前模型系統是早期腫瘤學藥物開發的主要挫折。在大規模藥物篩選中使用體外腫瘤類器官可以幫助克服這一問題,提供一個穩健、可擴展和可預測的3D系統,以重振當前的開發工作流程。

Topics: Oncology

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