肝癌类器官在肿瘤精准医学中的应用综述

肝癌是全球癌症相关死亡的第三大原因，其中肝细胞癌(HCC)占 75%-85%，其高度异质性(包括基因变异、肿瘤微环境差异)导致传统治疗(手术、化疗、靶向药)响应率低，预后差。传统研究模型存在显著局限：2D 细胞系无法模拟肿瘤三维结构和微环境;患者来源异种移植(PDX)模型建立耗时、成功率低(全球 < 20%)，且人类基质细胞易被小鼠细胞替代，丢失肿瘤异质性;动物模型与人类生理差异大，药物筛选准确性不足。肝癌类器官作为患者来源的三维模型，能保留原发肿瘤的组织学特征、遗传异质性和药物响应特性，为研究肿瘤生物学、药物敏感性及精准治疗提供理想平台。本综述系统阐述肝癌类器官的构建、在精准医学中的应用及技术进展。

来自广西中医药大学、深圳大学第一附属医院的团队在《iLIVER》期刊发表了题为The application of liver cancer organoids in tumour precision medicine: A comprehensive review的综述。

核心内容如下：

肝癌类器官的构建与验证：

细胞来源：包括成人肝干细胞、诱导多能干细胞(iPSCs)、患者肿瘤组织(手术或穿刺样本)，其中患者来源类器官(PDOs)保留 TP53、KRAS 等驱动突变及组织学特征;

培养条件：使用含生长因子(Wnt3a、FGF10)和小分子(CHIR99021、Y-27632)的培养基，通过去除 R-spondin-1 等因子抑制正常肝细胞生长，富集肿瘤细胞;基质采用 Matrigel 或合成水凝胶(如 PEG 衍生物)，调控力学性能;

验证方法：通过免疫组化(HCC 标志物 TTF-1、CK19)和靶向测序确认与原发肿瘤的一致性。

在精准医学中的应用：

药物筛选：利用类器官对 129 种 FDA 批准药物进行高通量筛选，发现仅 13 种对多数类器官有效(杀伤率 > 90%)，支持个性化用药选择;

耐药机制研究：发现高氧信号通过上调 NEAT1 激活 JAK-STAT 通路，增加 CD44 + 亚群导致耐药;mTOR 通路激活与索拉非尼获得性耐药相关，抑制该通路可逆转耐药;

免疫治疗评估：类器官与外周血单个核细胞(PBMCs)共培养模型，可预测免疫检查点抑制剂(如阿替利珠单抗)响应，准确率优于传统模型;

多组学分析：结合基因组、转录组和蛋白质组，鉴定出葡萄糖 - 6 - 磷酸脱氢酶为潜在治疗靶点，并发现仑伐替尼与 mTOR 抑制剂替西罗莫司联合具有协同抑癌作用。

技术工具：

微流控芯片：自动化培养平台(如含 200 个培养腔的芯片)实现动态调节营养和药物浓度，支持实时成像监测，适用于高通量药物筛选;

3D 生物打印：采用体积生物打印技术，20 秒内构建厘米级复杂结构，嵌入肝类器官形成可灌注血管网络，提升长期培养稳定性;

基因编辑：CRISPR/Cas9 技术构建特定突变模型(如 TP53 R249S 突变)，研究基因突变在肝癌发生中的作用。

挑战与解决方案：

微环境模拟不足：通过共培养系统(如 CAFs - 类器官 - PBMCs 模型)引入免疫细胞和基质细胞，重现肿瘤 - 免疫互作;

长期保存困难：优化冷冻保护剂(如甲基纤维素 + DMSO+Y27632)减少冰晶损伤，维持类器官结构完整性;

器官间协同缺失：构建肝 - 胰 - 肠多器官类器官芯片，模拟体内器官相互作用;

标准化问题：建立统一培养协议和质量评估标准，推动跨实验室结果可比性。

实验结果

图 1：肝癌小鼠模型的构建

内容：展示四种常用模型 —— 细胞系来源异种移植(CDX)、患者来源异种移植(PDX)、化学诱导模型(CIM)、基因工程小鼠模型(GEMM)的构建流程，对比其操作难度和适用场景，凸显 PDX 模型保留肿瘤特征但成功率低的特点。

图 2：不同研究模型的优劣势对比

内容：表格形式对比 2D 细胞培养(易操作但缺乏微环境)、动物模型(接近体内但物种差异大)、类器官(保留异质性但成本高)、类器官芯片(多器官互作模拟但技术要求高)的优缺点，强调类器官在精准医学中的综合优势。

图 3：肝癌类器官的来源

内容：展示正常肝类器官可源自胚胎干细胞(ESCs)、成体干细胞(ASCs)、iPSCs;肝癌类器官可通过患者肿瘤组织(手术 / 穿刺样本)或基因编辑(如 CRISPR 改造正常类器官)获得，体现构建路径的多样性。

图 4：基于层压技术的类器官空间分辨转录组技术(LOSRT)

内容：展示一种自动化、集成化的空间转录组分析方法，适用于标准化快速表征原发组织来源的类器官。其中，(A)为 LOSRT 流程示意图：工程化类器官(DEOs)通过重量压缩在装置中层压，随后转移至 BGI Stereo-seq 芯片进行空间转录组分析;(B)为层压肝类器官的单细胞 DNA 成像、空间分辨细胞类型注释及分类，蓝色标注内皮细胞、橙色标注上皮细胞、绿色标注肝星状细胞、红色标注肝细胞、黄色标注巨噬细胞;(C)为 CK18 标记的肝细胞的空间分布，通过类器官冷冻切片的 CK18 免疫荧光染色验证;(D)为 CD68 标记的巨噬细胞的空间分布，通过类器官冷冻切片的 CD68 免疫荧光染色验证;(E)为层压肝类器官空间模式的点阵图;(F)为小提琴图，显示层压肝类器官中不同细胞类型的空间距离，Wilcoxon 秩检验显示肝细胞 “与其他细胞” 和 “与自身” 组间存在显著差异(p<0.05)。该技术保留类器官内几乎所有细胞的组成及区域分布，实现单细胞水平的空间注释，为肝细胞互作研究提供新视角。

图 5：自动化微流控 3D 培养平台

内容：展示含可编程膜阀的微流控芯片(30 个化学输入通道)与 200 腔室 3D 培养装置的组合，实现动态药物刺激和实时成像，支持数百个类器官的并行培养与分析。

图 6：类器官构建技术对比

内容：对比传统手动接种(效率低、均一性差)与微流控系统、3D 生物打印技术(高效、结构可控)，显示生物工程技术解决了传统方法的局限，提升类器官质量。

图 7：高分辨率体积打印流程与研究设计概述

内容：展示体积生物打印技术的应用，该技术无需逐层打印，通过光驱动快速(20 秒内)构建复杂结构。其中，(A)为体积打印流程示意图;(B、C)显示使用 5% gelMA + 0.1% LAP 生物树脂实现的高分辨率打印效果，阳性特征分辨率达 41.5±2.9μm，阴性特征(可灌注结构)达 104.0±5.5μm;(D)为肝类器官培养系统流程图，从人类肝活检样本分离细胞，经旋转 flask 动态培养获得高产量的中空上皮类器官结构;(E)展示在动态灌注条件下培养的复杂填充类器官生物工厂，可将灌注化合物(紫色圆圈)分解为代谢物(黑色方块)，体现该技术在模拟肝脏代谢功能中的潜力。

图 8：肝癌类器官的挑战与解决方案

内容：图示三大挑战 —— 肿瘤微环境(TME)模拟不全(解决方案：共培养免疫细胞 / CAFs)、冷冻保存困难(解决方案：优化保护剂)、器官间互作缺失(解决方案：多器官芯片)，直观呈现技术瓶颈与突破路径。

全文总结

肝癌类器官作为精准医学的关键模型，通过保留原发肿瘤的遗传异质性和微环境特征，在药物筛选(如识别 13 种广谱有效药物)、耐药机制研究(如 mTOR 通路介导的索拉非尼耐药)、免疫治疗评估等方面展现独特价值。结合微流控、3D 生物打印等技术，其生理相关性不断提升，但仍面临 TME 模拟不完整、标准化不足等挑战。未来需通过共培养系统优化微环境、推动自动化培养平台建设、建立多器官类器官芯片，加速从基础研究到临床转化，为肝癌个性化治疗提供更可靠的工具。