DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01272-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38945959
تاريخ النشر: 2024-07-01
المؤلف: Lucie Thorel وآخرون
الموضوع الرئيسي: خلايا السرطان والنقائل
نظرة عامة
لقد عزز ظهور العضيات الورمية المشتقة من المرضى (PDTOs) على مدار العقد الماضي النماذج ما قبل السريرية في علم الأورام بشكل كبير، مما يمكّن من زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد التي تحاكي عن كثب الميزات النسيجية والجزيئية للأورام الأصلية. توفر PDTOs، المزروعة من عينات أورام المرضى، أدوات قيمة لأبحاث السرطان، مما يسهل الدراسات الأساسية، وتحديد الأهداف، والتحقق ما قبل السريرية من العلاجات الجديدة لمكافحة السرطان. تناقش هذه المراجعة المنهجيات لإنشاء PDTOs وتطبيقاتها المتنوعة، بينما تتناول أيضًا التحديات المتعلقة بالتطبيق السريري، بما في ذلك التمثيل، ومعدلات النجاح، وسرعة الاختبار، وغياب بيئة الورم الدقيقة. تهدف التطورات التكنولوجية المستمرة وتطوير زراعات ذاتية إلى التغلب على هذه العقبات وتعظيم فائدة PDTOs.
في الختام، تعتبر العضيات وPDTOs ابتكارات تحويلية للباحثين والأطباء عبر مجالات مختلفة، بما في ذلك بيولوجيا السرطان وعلم الأورام الدقيق. على الرغم من إمكانياتها الواسعة، لا تزال هناك تحديات مثل تحسين إنشاء وصيانة PDTOs، وزيادة تعقيد النموذج، وتحسين الصلة الفسيولوجية. يعمل المجتمع العلمي بنشاط على طرق زراعة عالية الإنتاجية، وتوحيد البروتوكولات، وتقنيات أخذ العينات الموثوقة لمعالجة هذه القضايا. مع تكامل هذه النماذج في الممارسة السريرية الروتينية، فإنها تعد بإدخال عصر جديد من علم الأورام الدقيق، مما يعزز بشكل كبير العلاج الشخصي للسرطان ويحسن رعاية المرضى في المستقبل القريب.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق لإنشاء العضيات الورمية المشتقة من المرضى (PDTOs) من مصادر متنوعة، بما في ذلك خزعات الورم، والعينات الجراحية، والسوائل البيولوجية مثل الاستسقاء والدم. تبدأ العملية عادةً بتفكيك ميكانيكي و/أو إنزيمي للأنسجة الورمية، مما يؤدي إلى تعليق من الخلايا المعزولة أو التجمعات الصغيرة. ثم يتم تضمين هذه الخلايا في قبة مصفوفة خارج الخلية (ECM) وزراعتها في وسائط غنية باستخدام طريقة الزراعة المغمورة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن توليد PDTOs من خلال الهندسة الوراثية للخلايا الجذعية متعددة القدرات أو الخاصة بالنسيج والعضيات الطبيعية.
تسلط الدراسة الضوء على أن PDTOs تشبه إلى حد كبير الأورام الأصلية من حيث النسيج والوراثة، حيث تظهر تطورًا كلونيًا أثناء الزراعة. ومع ذلك، تشير تحليل المكونات الرئيسية (PCA) لبيانات النسخ الجيني إلى أن PDTOs من سرطان المثانة تختلف عن أورامها الأصلية، على عكس نماذج زراعة الأورام المشتقة من المرضى (PDX)، التي تحافظ على علاقة أقرب مع ورمها الأصلي. يُعزى هذا التباين إلى النمو السريع لـ PDTOs وغياب المكونات السدوية. على الرغم من هذه الاختلافات، تحتفظ PDTOs بتشابه مستقر مع الورم الأصلي بمرور الوقت، مما يجعلها قيمة لأبحاث التطبيقات الطبية الدقيقة. ومع ذلك، يحذر المؤلفون من أن PDTOs تمثل فقط جزءًا من الورم، وقد تفقد بعض الخصائص الجزيئية خلال عملية الإنشاء، مما يبرز أهمية أخذ عينات عالية الجودة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للمصفوفة خارج الخلية (ECM) ووسيط النمو في زراعة العضيات الورمية المشتقة من المرضى (PDTOs). توفر ECM، التي تتكون غالبًا من هيدروجيلات طبيعية مثل Matrigel أو بدائل صناعية مثل بولي إيثيلين جلايكول (PEG)، بيئة ثلاثية الأبعاد ضرورية لنمو العضيات وتنظيمها. ومع ذلك، فإن التباين والأصل الحيواني لهذه ECMs يمثلان تحديات للتطبيق السريري، مما يحفز تطوير خيارات صناعية أكثر تحكمًا. كما أن اختيار عوامل النمو في وسط الزراعة أمر حاسم، حيث يمكن أن تلغي بعض الطفرات في خلايا السرطان الحاجة إلى عوامل نمو محددة، مما يتطلب بروتوكولات مصممة خصيصًا لأنماط النسج المختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، يناقش القسم طرق الزراعة البديلة، مثل أنظمة واجهة الهواء والسائل (ALI)، التي تحافظ على البيئة الدقيقة لفترات أطول وتسمح بإعدادات تجريبية فريدة. يمكن توسيع PDTOs وتجميدها للاستخدام المستقبلي، مما يسهل دراسة تباين السرطان واستجابات العلاج. تؤكد الورقة على إمكانيات PDTOs في علم الأورام، لا سيما لفهم بيولوجيا الورم، وآليات المقاومة، وتحديد أهداف علاجية جديدة من خلال الفحص عالي الإنتاجية. قد يعزز دمج التوقيعات الجزيئية التنبؤية المستمدة من PDTOs من نهج الطب الدقيق، مما يسمح باستراتيجيات علاجية أكثر فعالية خاصة بالمرضى. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية تحسين ECM وظروف الزراعة لتقدم أبحاث السرطان وتطوير العلاجات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01272-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38945959
Publication Date: 2024-07-01
Author(s): Lucie Thorel et al.
Primary Topic: Cancer Cells and Metastasis
Overview
The emergence of patient-derived tumor organoids (PDTOs) over the past decade has significantly enhanced preclinical models in oncology, enabling three-dimensional cell culture that closely mimics the histological and molecular features of original tumors. PDTOs, cultivated from patient tumor samples, offer valuable tools for cancer research, facilitating basic studies, target identification, and preclinical validation of new anticancer therapies. This review discusses the methodologies for establishing PDTOs and their diverse applications, while also addressing the challenges of clinical implementation, including representativeness, success rates, assay speed, and the absence of a tumor microenvironment. Ongoing technological advancements and the development of autologous cocultures aim to overcome these obstacles and maximize the utility of PDTOs.
In conclusion, organoids and PDTOs are transformative innovations for researchers and clinicians across various domains, including cancer biology and precision oncology. Despite their vast potential, challenges such as optimizing the establishment and maintenance of PDTOs, enhancing model complexity, and improving physiological relevance remain. The scientific community is actively working on high-throughput culture methods, protocol standardization, and reliable sampling techniques to address these issues. As these models become integrated into routine clinical practice, they promise to usher in a new era of precision oncology, significantly advancing personalized cancer treatment and improving patient care in the near future.
Methods
In this section, the authors describe the methods for establishing Patient-Derived Tumor Organoids (PDTOs) from various sources, including tumor biopsies, surgical specimens, and biological fluids like ascites and blood. The process typically begins with mechanical and/or enzymatic dissociation of the tumor tissue, resulting in a suspension of isolated cells or small aggregates. These cells are then embedded in an extracellular matrix (ECM) dome and cultured in enriched media using the submerged culture method. Additionally, PDTOs can be generated through genetic engineering of pluripotent or tissue-specific stem cells and normal organoids.
The study highlights that PDTOs closely resemble the original tumors in terms of histology and genetics, exhibiting clonal evolution during culture. However, principal component analysis (PCA) of transcriptomic data indicates that PDTOs from bladder cancer differ from their parental tumors, unlike patient-derived xenograft (PDX) models, which maintain a closer relationship with their tumor of origin. This discrepancy is attributed to the rapid growth of PDTOs and the absence of stromal components. Despite these differences, PDTOs retain a stable resemblance to the original tumor over time, making them valuable for research and precision medicine applications. Nonetheless, the authors caution that PDTOs represent only a fraction of the tumor, and some molecular characteristics may be lost during the establishment process, underscoring the importance of high-quality sampling.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the critical role of the extracellular matrix (ECM) and growth medium in the culture of patient-derived tumor organoids (PDTOs). The ECM, often composed of natural hydrogels like Matrigel or synthetic alternatives such as polyethylene glycol (PEG), provides a necessary three-dimensional environment for organoid growth and organization. However, the variability and animal origin of these ECMs pose challenges for clinical application, prompting the development of more controlled synthetic options. The choice of growth factors in the culture medium is also crucial, as certain mutations in cancer cells can eliminate the need for specific growth factors, necessitating tailored protocols for different histological subtypes.
Additionally, the section discusses alternative culture methods, such as air-liquid interface (ALI) systems, which maintain the microenvironment for longer periods and allow for unique experimental setups. PDTOs can be expanded and cryopreserved for future use, facilitating the study of cancer heterogeneity and treatment responses. The paper emphasizes the potential of PDTOs in oncology, particularly for understanding tumor biology, resistance mechanisms, and identifying new therapeutic targets through high-throughput screening. The integration of predictive molecular signatures derived from PDTOs may enhance precision medicine approaches, allowing for more effective patient-specific treatment strategies. Overall, the findings underscore the importance of optimizing ECM and culture conditions to advance cancer research and therapeutic development.