Cell：胃肠胰神经内分泌的肿瘤类器官生物库

来源：BioArt

近年来，类器官（Organoid）作为重要的生物模型逐渐进入人们的视野。类器官来自于人类胚胎干细胞、诱导多能干细胞、胚胎干细胞或者是直接来源于病人样本，而且具有一定的三维结构，结合基因编辑技术，大大扩展了实验室和临床方面的研究可以使用的工具。相较于直接进行临床试验，类器官的兴起给了科学家以及医生更多的空间去筛选药物，成为了各个实验室争相应用的一个重要工具。

2020年11月6日，日本东京庆应大学Toshiro Sato研究组发文题为An Organoid Biobank of Neuroendocrine Neoplasms Enables Genotype-Phenotype Mapping，建立了胃肠胰神经内分泌的肿瘤类器官生物库，为实验室进行癌症发生机理以及发展过程的研究以及临床方面的药物筛选提供了重要的生物工具。

胃肠胰神经内分泌的肿瘤（Gastroenteropancreatic neuroendocrine neoplasm，GEP-NEN）主要包括神经内分泌肿瘤（Neuroendocrine tumor）和神经内分泌恶性上皮肿瘤（Neuroendocrine carcinoma，NEC）组成，这是致死性的疾病但是由于其罕见性而鲜有研究。为了弥补对于该方面研究的空白，作者们想要建立GEP-NEN相关的研究模型。

为了建立NEN来源的类器官，作者们获得了多个医院的39个新鲜的胃肠胰神经内分泌的肿瘤临床样品。根据先前标准化的类器官培养步骤【1】，作者们根据包括食道、胃、十二指肠、胰腺、肝脏以及胆管等不同来源系统性地建立了NEN类器官。基于稳定的培养和扩增，随后作者们对这些类器官进行了多组学的分析，包括全基因组测序、RNA-seq、甲基化微阵列分析以及使用ATAC-seq进行全基因组基因可及性分析等等。除此之外，作者们还对这些类器官的功能性特征比如生长因子依赖性、异种器官移植的能力以及药物筛选方面的应用进行了检测。

首先，作者们对这些所有的GEP-NEN的类器官进行了神经内分泌相关细胞标记物的检测，发现这些GEP-NEN来源的类器官都可以稳定的维持它们的遗传背景以及神经内分泌的表型。另外，通过对这些病人来源的类器官中细胞的分裂增殖状态进行分析，作者们确认GEP-NEN类器官能够很好地概括原始的神经内分泌肿瘤的生物学和病理学方面的特征。

进一步地，为了满足进一步地对类器官生物库进行深度遗传分析，作者们对这些胃肠胰神经内分泌的肿瘤来源的类器官进行体细胞突变以及突变特征的分析。癌症基因组中的体细胞突变密度与染色质标记有关，如区域组蛋白修饰、DNA可及性和DNA复制时间【2】。作者们通过使用先前的实验方法对NEC中多组织的细胞来源进行分析后确认在NEC和腺瘤中具有类似的组织依赖性突变模式。随后，作者们又对GEP-NEN类器官中的染色体变化进行分析，发现部分类器官中出现了大量的杂合性丢失（Loss-of-heterozygosity，LOH）的染色体变化，而且LOH的峰值出现的对应基因位点RB1和TP53的位置，先前的研究发现这两个基因位点的出现的变化会反复出现在GEP-NEN的肿瘤中【3】。在这种GEP-NEN来源的类器官中出现的染色体变化可能是其肿瘤生长以及神经内分泌细胞谱系命运决定的潜在关键因素。

通过对这些GEP-NEN来源的类器官的转录组进行分析，作者们发现通过分析相关基因表达的变化，这些类器官会失去原有的细胞命运重编程获得神经内分泌细胞谱系相关的命运。另外，作者们发现可以通过一些独特的转录因子比如NKX2-5的表达来对这些GEP-NEN的肿瘤进行分类。随后，作者们又对GEP-NEN来源的类器官进行生长因子依赖性的实验检测，发现GEP-NEN类器官显示出与基因型无关的、不依赖于Wnt和EGF的生长。最后，作者们希望达到通过遗传操纵的方式将正常的肠道类器官重建变成GEP-NEN类器官的目的，作者们构建了TP53和RB1双敲除地类器官并用一些药物进行选择（Nutlin-3和Palbociclib），但这些处理并不能足以实现获得具有神经内分泌细胞表达的肿瘤类器官。结合先前得到的转录组分析，作者们对神经内分泌相关的6个转录因子进行共同过表达，实现了对于神经内分泌细胞重编程的目的。

图1 工作模型

总的来说，作者们的工作收集和构建了GEP-NEN类器官的数据库，联合对于这些类器官在基因组方面的分析以及基础功能性研究，实现了对于胃肠胰神经内分泌的肿瘤这种罕见的、致死性疾病的在发生和发展方面分子机制研究的模型构建（图1）。该研究显示了以类器官为基础的方法治疗罕见癌症的力量并为罕见疾病的研究奠定了基础。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.023

参考文献

1 Fujii,M., Matano, M., Nanki, K. & Sato, T. Efficient genetic engineering of humanintestinal organoids using electroporation. Natureprotocols 10, 1474-1485, doi:10.1038/nprot.2015.088(2015).

2 Polak, P. etal. Cell-of-origin chromatin organization shapes the mutational landscapeof cancer. Nature 518, 360-364, doi:10.1038/nature14221(2015).

3 George, J.et al. Comprehensive genomic profiles of small cell lung cancer. Nature 524, 47-53, doi:10.1038/nature14664 (2015).