本文发表于Cell Reports Medicine，作者为Yi Zhao、Shangru Li、Lefan Zhu、Mingle Huang、Yubin Xie、Xinming Song、Zhihui Chen、Harry Cheuk-Hay Lau、Joseph Jao-Yiu Sung、Lixia Xu、Jun Yu和Xiaoxing Li。通讯作者为Lixia Xu、Jun Yu和Xiaoxing Li，分别来自中山大学附属第一医院、香港中文大学等机构。该研究于2024年7月16日在线发表。

胃癌是全球第五大常见恶性肿瘤，也是第四大癌症死亡原因。尽管手术切除联合围手术期化疗是局部进展期胃癌的一线治疗策略，但不同患者对同一化疗方案的反应差异巨大，目前尚缺乏有效的预测手段。常用化疗药物包括氟尿嘧啶类药物和铂类药物，如5-氟尿嘧啶、奥沙利铂等。肿瘤类器官是近年来发展的三维细胞培养模型，可在体外较好保留原发肿瘤的组织结构和基因特征，被认为具有预测患者药物反应的潜力。然而，此前胃癌类器官研究样本量较小，并且缺乏与化疗敏感性相关的基因表达特征系统分析。因此，本研究旨在建立一个胃癌患者来源类器官生物样本库，并通过转录组测序筛选与化疗敏感性或耐药相关的基因表达标志物，验证类器官体外药物反应与体内动物模型及患者实际临床疗效的一致性，为胃癌个体化治疗提供可靠工具。

研究团队从73例经病理确诊的胃癌患者手术标本中获取肿瘤组织，成功建立57例胃癌类器官，总成功率为78%。其中53例来自未接受术前治疗的患者，4例来自接受过新辅助化疗的患者。这些类器官来自胃的不同解剖部位，包括贲门8例、胃底5例、胃体16例、胃窦22例和胃角6例，并覆盖不同TNM分期。根据生长速度，类器官被分为高生长速率和低生长速率两类，其中5例可连续传代超过17代，其余52例在8至9代后停止增殖。RNA测序显示，高生长速率类器官中REG4、KLF4、ERBB3、HRAS、NOTCH1、MYC等增殖和干性相关基因显著上调，而BAX、DKK3、TNFSF12、MCC、BNIP3、TP53BP1等细胞生长抑制相关基因下调。KEGG通路分析表明，MAPK信号级联和Notch信号在高生长速率类器官中富集，而Hippo和p53信号通路相对下调。高生长速率类器官干性评分显著高于低生长速率类器官。全外显子测序未发现两组在TP53、CDH1、ARID1A、MUC6、RNF43等常见驱动基因突变上存在显著差异，提示两者的生长差异主要由基因表达模式决定。

在组织保真度验证方面，RNA测序结果显示类器官与其来源肿瘤组织之间基因表达高度一致，平均相关系数为0.785。组织学上，类器官保留了原发肿瘤的腺体、失黏附或实体生长模式以及核分层特征。肠型、弥漫型和混合型胃癌来源的类器官在形态上也分别表现出相应的结构特点。免疫组化检测CK7和CEA蛋白表达，类器官与原发肿瘤的Allred评分高度相关，相关系数分别为0.87和0.91。这些结果证明该生物样本库中的胃癌类器官能够较好地模拟原始肿瘤的表型和分子特征。

药物筛选阶段，研究者对41例胃癌类器官分别给予6种常用化疗药物，包括5-氟尿嘧啶、奥沙利铂、顺铂、紫杉醇、多柔比星和SN-38，每种药物设5个浓度梯度并重复3次。结果显示，来自不同患者的类器官对不同化疗药物呈现出耐药、部分敏感或敏感等多种反应。生物学重复之间AUC值相关性高，Pearson相关系数大于0.87，表明培养和筛选体系稳定可靠。弥漫型胃癌类器官对5-氟尿嘧啶和紫杉醇更敏感。

在此基础上，研究团队对17例类器官进行了转录组测序，根据对5-氟尿嘧啶或奥沙利铂的敏感性分为敏感组和耐药组。5-氟尿嘧啶敏感组中MSMB、S1PR4、PURPL、TP53INP1和TRIM16等肿瘤抑制基因上调，p53信号通路和细胞衰老通路富集；而FKBP10、DARPP32、ASCL2、BCL2、ABCC2和NOTCH1等增殖侵袭相关基因下调，Notch、Wnt、Rho GTPase信号通路和细胞外基质组织通路在耐药组富集。奥沙利铂敏感组中MYO1A、CLDN3、DMBT1、TNFRSF1B和TRIM15等基因上调，TNF和FoxO信号通路富集；而NDUFA4L2、DKK4、KLK10、FOSL1、STC2和L1CAM等基因下调，PI3K和Wnt信号通路在耐药组活跃。研究者进一步通过CRISPR-Cas9基因敲除验证了MSMB、S1PR4、FKBP10、MYO1A和NDUFA4L2在类器官中对相应药物敏感性的功能影响。

此外，研究利用递归特征消除算法在肿瘤组织中筛选出可区分5-氟尿嘧啶敏感与耐药患者的9个差异表达基因以及区分奥沙利铂敏感与耐药患者的6个差异表达基因。Logistic回归和朴素贝叶斯模型验证显示，前者AUC分别达到87%和86%，后者AUC分别达到81%和83%。在TCGA外部队列中，5-氟尿嘧啶治疗组中预测为敏感型的患者无进展生存期显著优于耐药型患者。与其他已发表的基因标签相比，本研究的基因组合在两种模型中均具有最高的AUC值。

为在体内验证类器官药物反应，研究团队将5个类器官系植入NCG小鼠建立患者来源类器官异种移植模型。G5T类器官在体外对紫杉醇敏感而对5-氟尿嘧啶耐药，小鼠移植瘤实验同样显示紫杉醇明显抑制肿瘤生长，肿瘤体积和重量显著降低，Ki-67增殖指数下降，TUNEL凋亡增加，而5-氟尿嘧啶治疗组无明显变化。G9T类器官在体外对5-氟尿嘧啶敏感而对奥沙利铂耐药，体内实验结果一致。G27T和G30T的体内药物反应也与体外结果吻合。上述结果表明类器官培养体系可较真实地反映体内化疗反应。

临床验证方面，12例接受以奥沙利铂和5-氟尿嘧啶为基础化疗的胃癌患者随访结果显示，91.7%的患者实际临床疗效与其来源类器官的体外药敏结果一致。例如G32T患者术后接受奥沙利铂联合替吉奥辅助化疗后随访35个月无肿瘤复发，其类器官同样对联合用药敏感。因此，类器官药敏检测在预测胃癌患者化疗反应方面具有较高准确性。

最后，研究团队构建了类器官与肿瘤相关成纤维细胞共培养体系以及类器官与自体T细胞共培养体系。结果显示，肿瘤相关成纤维细胞可促进类器官生长，并增强对5-氟尿嘧啶和奥沙利铂的耐药性。在免疫共培养实验中，高微卫星不稳定型患者的T细胞可显著杀伤自体类器官，而微卫星稳定型类器官对T细胞杀伤不敏感。这说明类器官模型可用于研究肿瘤微环境对药物反应和免疫治疗的影响。

本研究成功建立了包含57例胃癌类器官的生物样本库，证实其在组织学和基因表达层面高度保留原发肿瘤特征。通过高通量药物筛选和转录组分析，鉴定了与化疗敏感或耐药相关的基因表达谱和预测标志物。这些发现在体外类器官、体内异种移植模型及患者随访三个层面得到验证，表明胃癌类器官可作为个体化化疗药物筛选和疗效预测的有效工具，具有较直接的临床转化价值。