結直腸癌是最多發(fā)的癌癥之一，病死率高居全球第二。

目前，利用患者腫瘤組織構建的類器官模型已成為研究腫瘤發(fā)生分子機制的常用研究手段。多種腫瘤類器官已被成功構建，包括結直腸癌，乳腺癌，膀胱癌，前列腺癌，胃癌等。然而，這些研究大部分僅在大量細胞系綜平均的水平評估了患者組織衍生的類器官的各種分子特征，如基因突變，基因組拷貝數變異以及基因表達等變化，并未在單細胞水平進行評估，從而無法系統(tǒng)地評估構建的類器官個體內部的腫瘤細胞異質性情況，特別是由于構建類器官的成功率常常不是很高，同時得到同一個患者的體內腫瘤單細胞組學數據以及在體外建成類器官后的配對單細胞組學數據非常困難。   

為了系統(tǒng)地評估結直腸癌類器官培養(yǎng)系統(tǒng)，解析類器官與對應的體內腫瘤上皮細胞之間的異同以及不同培養(yǎng)體系對類器官基因表達特征的影響，北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）湯富酬團隊與北京大學第三醫(yī)院普外科付衛(wèi)團隊合作，對來自6名結直腸癌患者的體內腫瘤組織和癌旁正常組織，以及對它們進行體外培養(yǎng)建立的相應的類器官進行了高精度單細胞轉錄組測序，并結合全基因組甲基化測序、全基因組測序、全外顯子組測序以及靶位點Sanger測序等對兩種常見結直腸類器官培養(yǎng)體系從轉錄組、基因組和DNA甲基化組三個層面進行了系統(tǒng)的比較和評估（圖1）。該研究成果于2022年4月28日以“Systematic evaluation of colorectal cancer organoid system by single-cell RNA-Seq analysis”為題在線發(fā)表在Genome Biology上。 

圖1.實驗設計方案示意圖   

該研究有以下3個主要發(fā)現：

1. 腫瘤組織來源的類器官能準確反映對應體內腫瘤上皮細胞（癌細胞）在基因表達、基因突變以及DNA甲基化等方面的關鍵特征。

通過探索體內腫瘤特異性基因表達模式，該研究發(fā)現了腫瘤來源的類器官高表達體內腫瘤上皮細胞（癌細胞）特異性表達的基因。并且，腫瘤組織來源的類器官也維持了體內腫瘤上皮細胞特異性的基因調控網絡特征。另外，通過對全基因組(WGS)、全外顯子組(WES)、以及DNA甲基化組(PBAT)數據進行分析，該研究發(fā)現腫瘤類器官能非常好地維持體內腫瘤上皮細胞（癌細胞）在基因突變和DNA甲基化等方面的關鍵特征（圖2）。

這表明現有培養(yǎng)體系中的結直腸癌腫瘤類器官非常好地維持了對應患者體內癌細胞的關鍵生物學特征，因而使用腫瘤類器官篩選的癌癥治療候選藥物應該對對應患者體內的癌細胞也會有類似的殺傷效果�，F有的腫瘤類器官是腫瘤殺傷藥物篩選的優(yōu)秀平臺。

圖2. 體內外腫瘤細胞和正常腸上皮細胞的基因組拷貝數變異、DNA甲基化以及基因突變的比較

2. 癌旁正常組織來源的類器官在轉錄組水平上表現出部分腫瘤樣特征，但保持正常的基因組和全局DNA甲基化組特征。

首先該研究鑒定了體內腫瘤上皮細胞和癌旁正常腸上皮細胞的差異表達基因，并研究了這些差異基因在體外腫瘤類器官和正常腸上皮類器官的表達情況。結果顯示，體外正常腸上皮類器官和腫瘤類器官均高表達體內腫瘤上皮細胞特異性表達的基因。為了進一步驗證此結果，該研究對體內組織和體外類器官進行了腫瘤特異性表達基因CEACAM6的免疫熒光染色。與單細胞轉錄組數據一致，CEACAM6僅在體內腫瘤上皮細胞中高表達，而在體內癌旁正常腸上皮細胞中則不表達。然而，體外培養(yǎng)的腫瘤類器官和正常腸上皮類器官均高表達CEACAM6蛋白，此結果與單細胞轉錄組測序結果一致（圖3）。 該研究的癌旁正常組織都取自距離腫瘤組織邊緣至少10厘米以外的區(qū)域，其正常組織內部混雜大量腫瘤細胞的可能性非常低，但為了進一步排除正常組織類器官有可能是混雜在癌旁正常組織中的腫瘤細胞體外擴增而導致這一現象。該研究進一步探究了體外腫瘤類器官和正常腸上皮類器官的基因突變和基因組拷貝數變異情況。結果顯示，只有腫瘤類器官呈現與對應患者體內腫瘤細胞相似的基因組拷貝數變異和基因突變，正常腸上皮類器官的基因組與體內正常腸上皮細胞一致，沒有腫瘤細胞特異性的基因突變和基因組拷貝數變異，從而排除了正常組織類器官起源于癌旁正常組織中混雜部分腫瘤上皮細胞的可能性。以上數據顯示，在轉錄組和蛋白水平上，腫瘤上皮類器官和正常腸上皮類器官都表現出腫瘤樣特征。這表明現有的培養(yǎng)體系使得正常腸上皮類器官也具有部分腫瘤細胞特征，因而用同一個患者得到的腫瘤類器官和癌旁正常腸上皮類器官進行配對藥物篩選、以篩選出特異性對腫瘤細胞有選擇性殺傷效果（殺傷腫瘤類器官，但是不殺傷正常腸上皮類器官）的候選藥物目前是無法實現的。

圖3. CEACAM6免疫染色熒光結果

3. 條件培養(yǎng)基在腫瘤類器官的長期培養(yǎng)方面優(yōu)于化學成分確定培養(yǎng)基（分子培養(yǎng)基）。

首先，該研究通過MKI67的表達情況對不同培養(yǎng)基中的細胞增殖情況進行了評估（圖4）。在化學成分確定培養(yǎng)基（分子培養(yǎng)基）中，正常組織來源的類器官相比腫瘤來源的類器官具有更快的細胞增殖速度。在條件培養(yǎng)基中，正常組織來源的類器官和腫瘤來源的類器官的細胞增殖速度相當。這說明化學成分確定培養(yǎng)基（分子培養(yǎng)基）更有利于正常腸上皮細胞的生長，而條件培養(yǎng)基對正常腸上皮細胞和腫瘤上皮細胞（癌細胞）的生長沒有明顯偏好性。而這一特點通過線粒體突變在不同培養(yǎng)基中培養(yǎng)的癌細胞的譜系追蹤得到了進一步驗證。

圖4. 體內組織以及體外兩種培養(yǎng)基中的類器官細胞表達MKI67的比例   

此外，研究結果表明，條件培養(yǎng)基比化學成分確定培養(yǎng)基（分子培養(yǎng)基）更能真實地反映對應體內腫瘤上皮細胞（癌細胞）與正常腸上皮細胞的差異。與體內相應的癌細胞相似，在條件培養(yǎng)基中培養(yǎng)的腫瘤類器官呈現腸上皮干祖細胞標志基因OLFM4高表達和腸上皮分化成熟標志基因CA2低表達的特征，正常組織類器官呈現相反的OLFM4低表達和CA2高表達的模式（圖5）。但在化學成分確定培養(yǎng)基（分子培養(yǎng)基）中，無論是正常組織類器官還是腫瘤類器官都具有相似的OLFM4高表達和CA2低表達的模式，無法準確模擬對應體內不同類型上皮細胞基因表達的不同特征。

這表明現有的兩種培養(yǎng)體系對于維持對應體內腫瘤細胞關鍵生物學特征都有效，但是條件培養(yǎng)基要優(yōu)于化學成分確定培養(yǎng)基（分子培養(yǎng)基），因而條件培養(yǎng)基是基于類器官的腫瘤發(fā)生分子機制研究和藥物篩選的首選培養(yǎng)體系。

圖5. 不同條件下的腫瘤細胞和正常上皮細胞的CA2 和OLFM4的表達  

綜上所述，該項研究對結直腸癌體內腫瘤組織、體內癌旁正常組織、以及配對的在兩種不同培養(yǎng)體系中建立的腫瘤類器官、癌旁正常組織類器官進行了高精度單細胞轉錄組分析，并結合全基因組測序、全外顯子組測序、DNA甲基化組測序以及靶位點Sanger 測序的結果，系統(tǒng)地評估了類器官模型在研究結直腸癌腫瘤發(fā)生分子機制上的可靠性和局限性。

該研究發(fā)現現有的培養(yǎng)體系中的腫瘤類器官非常好地維持了對應結直腸癌患者體內癌細胞的關鍵生物學特征，現有的腫瘤類器官是腫瘤發(fā)生分子機制研究以及腫瘤殺傷藥物篩選的優(yōu)越平臺�，F有的培養(yǎng)體系使得正常腸上皮類器官也具有部分腫瘤細胞特征，因而無法用同一個患者得到的腫瘤類器官和正常腸上皮類器官進行配對篩選，以便得到對腫瘤細胞有選擇性殺傷效果的候選藥物�，F有的兩種培養(yǎng)體系對于維持結直腸癌腫瘤細胞關鍵生物學特征都有效，但是條件培養(yǎng)基要優(yōu)于化學成分確定培養(yǎng)基（分子培養(yǎng)基），因而條件培養(yǎng)基是結直腸癌腫瘤發(fā)生分子機制研究和藥物篩選的首選培養(yǎng)體系。

北京大學博士后汪睿、博士生毛雨諾、王維以及北京大學第三醫(yī)院普通外科周鑫主治醫(yī)生、王文東博士為該論文的并列第一作者。

北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心湯富酬教授和北京大學第三醫(yī)院普通外科付衛(wèi)教授為該論文的共同通訊作者。

該研究項目得到了國家自然科學基金和北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）的支持。