高级别胶质瘤精准肿瘤学：用于辅助治疗选择的肿瘤类器官模型

高级别胶质瘤(HGG)是侵袭性脑肿瘤，包括 IDH 野生型、IDH 突变型及 H3K27M 突变型等亚型，因肿瘤异质性极强(遗传、细胞、微环境层面)，治疗选择有限且预后极差(IDH 野生型中位生存期约 12 个月)。传统模型(2D 细胞系、PDX)难以复现异质性，无法满足精准治疗需求。

美国密歇根大学神经外科的团队联合血液肿瘤科、计算医学与生物信息学系，在《Bioengineering》上发表题为Precision Oncology for High-Grade Gliomas: A Tumor Organoid Model for Adjuvant Treatment Selection的研究，建立多区域患者来源胶质瘤肿瘤类器官(GTOs)模型：通过立体定向导航获取肿瘤不同区域(强化区、FLAIR 高信号区、瘤脑边缘)组织，构建能保留转录组与表型异质性的 GTOs，结合高通量药敏筛选，揭示肿瘤空间异质性对药物响应的影响，为 HGG 个性化辅助治疗提供工具。

实验方法

样本收集与 GTOs 构建：术中通过立体定向导航(Stryker Q 系统)获取 11 例 HGG 患者的肿瘤组织(0.5-1cm³)，涵盖原发 / 复发 IDH 野生型胶质母细胞瘤、IDH 突变型星形细胞瘤、H3K27M 突变型弥漫中线胶质瘤，优先选择非坏死区域;组织立即置于 RPMI-1640 冰上转运，手动剪碎后用超低吸附 6 孔板培养，培养基为 DMEM F12 与 Neurobasal 1:1 混合，添加 N2、B27(无维生素 A)、Glutamax、胰岛素等，37℃ 5% CO₂旋转培养 2-4 周，至 GTOs 直径达 1.5mm。

GTOs 鉴定与分子分析

形态与病理：GTOs 包埋 Histogel 后甲醛固定、石蜡包埋，HE 染色观察细胞形态，免疫荧光检测细胞状态标志物(OPC 样：Olig2;间充质样：CD44;星形细胞样：EGFR)及增殖标志物 Ki67;

转录组验证：用 RNeasy Mini Kit 提取 RNA，Tapestation 检测 RNA 完整性(RIN 值)，NEBNext 试剂盒构建文库，Illumina NovaSeqXPlus 测序，通过 BayesPrism 算法去卷积分析细胞类型 / 状态比例，PROGENy 模型计算信号通路活性。

高通量药敏筛选：GTOs 用 AccuMax 解离为单细胞，以 1000-3000 细胞 / 孔接种于 96 孔 U 型板，采用人血浆样培养基(HPLM);药物按 5 倍梯度稀释(8 个浓度)，孵育 5 天(DDR 抑制剂孵育 10 天)，用 3D Cell-titer Glo 检测活力;计算 IC50、Cmax(最大血浆浓度)/Cave(平均血浆浓度)下的存活率，通过 DSS3 评分(0-60+，20 为临床有效阈值)评估药物活性，药物选择基于肿瘤突变(如 EGFR 抑制剂针对 EGFR 扩增)及临床可用性。

关键结果

图1：GTOs 的组织获取与队列临床特征

该图展示 GTOs 构建的核心流程与患者背景：(A)术中立体定向导航取样，针对 MRI 的强化区(A1-A2)、FLAIR 高信号区(A3)及瘤脑边缘，术后将肿瘤离体切开，选取非坏死组织;(B)流程含三部分：部分组织临床病理分析，部分行 Tempus 全转录组测序，剩余构建 GTOs(旋转培养至 1.5mm)，后续行 bulk RNA 测序与免疫荧光;(C-E)11 例患者队列特征：年龄 21-76 岁，含原发 / 复发病例，突变包括 EGFR(3 例)、TERT(5 例)等，MGMT 甲基化 4 例，Ki67 指数 15%-80%，生存期 6-70 个月，5 例随访时存活，验证队列的多样性覆盖 HGG 主要亚型。

图2：GTOs 的异质性表征

该图证实 GTOs 保留肿瘤异质性：(A)明场显微镜显示 GTOs 形态差异(如 Case 2 核形异常，Case 1 核形均一)，HE 染色可见细胞密度、形态(间变细胞、巨细胞)的 intra - 与 inter-GTO 异质性;(B)免疫荧光显示细胞状态标志物差异：Case 3 高表达 Olig2(OPC 样)、CD44(间充质样)、EGFR(星形细胞样)，Case 2 以 CD44 为主，Ki67 增殖指数也存在差异(Case 7 GTOs 高表达但临床肿瘤低表达);(C-D)bulk RNA 测序去卷积显示 GTOs 主要分为 OPC 样与间充质样细胞状态，通路分析显示 WNT、MAPK、EGFR 通路活性差异显著(Case 3 EGFR 通路活性与免疫荧光信号一致)，雄激素、VEGF 通路活性在各肿瘤中相近。

图3：GTOs 与原发肿瘤的分子一致性

该图验证 GTOs 对原发肿瘤的复现性：(A)PCA 分析显示 GTOs 与配对原发肿瘤的转录组更接近，而非其他肿瘤;(B)细胞成分去卷积显示 GTOs 肿瘤细胞比例更高(平均 84.1% vs 原发肿瘤 6.5%)，神经胶质与血管 / 基质成分减少(分别降低 62.9、14.3 个百分点)，免疫细胞比例变化小(5.9% vs 6.3%);(C)H3K27M 突变病例(Case 5)的细胞状态转移：原发肿瘤以 S 期为主(93.25%)，GTOs 以 OPC 样 - 2 为主(79.74%)，排除周期程序后 OPC 样 - 2 占 91.8%;(D)IDH 野生型病例中，1 例(Case 7)GTOs 与原发肿瘤间充质样细胞比例几乎一致，其余病例从单一状态转为双状态混合(如 Case 3 从间充质样为主转为间充质 / OPC 样混合)，证实 GTOs 保留肿瘤细胞状态可塑性。

图4：药敏筛选流程与基础结果

(A)流程为 GTOs 解离→接种→药物梯度处理→活力检测→IC50 计算;(B)以 Case 8 为例，展示药物浓度 - 活力曲线与 IC50 计算;(C)热图显示 5 例患者 GTOs 对不同药物的存活率(Cave 下)，颜色越深(绿色)抑制效果越强，无单一药物对所有肿瘤有效，且同一药物对不同亚型响应差异显著。

图5：亚型特异性药物响应

(A)EGFR 抑制剂、PI3K/MAPK 抑制剂、细胞周期抑制剂在 IDH 野生型与突变型间无显著优劣;(B-C)各肿瘤 Top8 有效药物：IDH 突变型星形细胞瘤对 regorafenib、cabozantinib 响应好，IDH 野生型与 H3K27M 突变型对 luminespib、trametinib 响应好，且 IDH 突变型星形细胞瘤比少突肉瘤更耐药(Case 10 vs 13)。

图6：多区域取样的药物响应异质性(Case 9，H3K27M 突变)

(A)取样于强化区、瘤脑边缘、FLAIR 区;(B-C)trametinib(MEK 抑制剂)与 everolimus(mTOR 抑制剂)在强化区 1 与瘤脑边缘为临床有效(DSS3≥20)，但在 FLAIR 区与强化区 2 无效;selinexor 在强化区有效，患者后续入组 selinexor 临床试验，13 个月无进展，与 GTO 结果一致，证实多区域取样对治疗选择的重要性。

全文总结

本研究的核心贡献是建立并验证 HGG 的多区域 GTOs 模型：1)模型优势：通过立体定向取样构建的 GTOs 能复现 HGG 的转录组异质性(细胞状态、通路活性)与临床遗传特征，培养周期短(2-4 周)，可快速开展药敏筛选(5 天)，解决传统 PDX 周期长、2D 模型异质性丢失的问题;2)关键发现：HGG 的药物响应存在显著 inter-(亚型间)与 intra-(肿瘤内不同区域)异质性，多区域取样是准确预测治疗响应的关键，且 GTOs 药敏结果与临床疗效一致(如 Case 9 的 selinexor 响应);3)局限与未来：样本量较小(11 例)，GTOs 缺乏免疫与血管成分，无法模拟血脑屏障药物穿透;未来需扩大队列，整合免疫共培养与血管化技术，推动 GTOs 成为 HGG 精准治疗的临床常规工具。