体外培养类器官的想法和尝试由来已久，这一目标在2009年发生了重要的突破。
荷兰的科学家Hans Clevers 博士是肠道干细胞生物学的先驱。他是第一个发现干细胞特异性标记物 (Lgr5) 的人，他的实验室用它来分离能够再生肠、结肠和其他器官的肠道干细胞。2009年，他在《Nature》杂志上发表文章”Single Lgr5 stemcells build crypt villus structures in vitro without a mesenchymal niche“，他展示了人类肠道干细胞可用于产生小肠、胃和肝脏作为可移植的类器官。他的工作对从器官功能到癌症的广泛生物学问题产生了深远的影响。2017年，Clevers教授研究组完成了规模宏大的乳腺癌类器官项目，建立全球首个乳腺癌类器官库。
近日，他的研究团队对人类肝细胞类器官进行了CRISPR工程改造，以重建不同的纤维板层癌 (FLC)背景，包括主要的遗传改变、DNAJB1 -PRKACA融合，以及最近报道的FLC 样肿瘤背景，包括BAP1和PRKAR2A的失活突变。这些工程化的人体类器官模型有助于 FLC 的研究。该研究题为“Organoid models of fibrolamellar carcinoma mutations reveal hepatocyte transdifferentiation through cooperative BAP1 and PRKAR2A loss”，发表在Nature communications杂志。
纤维板层癌 (FLC) 是一种罕见的致命性原发性肝癌,主要影响青少年和年轻人。FLC 的有效疗法难以捉摸，因为 FLC 肿瘤很少对批准用于肝细胞癌 (HCC) 的化疗和靶向疗法产生反应，使患者存活率很低。为了改变这一点，非常需要新的治疗策略。
新型人体类器官模型
该项目的研究组组长 Benedetta Artegiani 教授利用创新技术共同领导了这项关于纤维板层癌的新研究。这使研究人员能够更好地了解 FLC 中发现的不同突变的生物学后果，并研究肿瘤的生物学。需要这些新的研究策略来了解肿瘤产生的原因，并确定可能的目标以更好地治疗该疾病。作者说：“我们在研究中使用了健康的人类肝脏类器官。在这里，我们开发了一系列这些微型器官，它们都具有不同的 DNA 变化和突变，这些变化和突变以前与 FLC 有关。我们使用“分子剪刀”的 DNA 修饰技术 CRISPR-Cas9 改变了类器官的遗传背景。由于其稀有性，可供研究的肿瘤组织并不多。但因为这项技术，我们现在能够研究这种肿瘤类型。”
不同的基因突变导致不同程度的攻击性
研究人员通过使用 CRISPR-Cas9 修饰蛋白激酶 A (PKA) 复合体构建了肝脏类器官模型。PKA 是一种复杂的信号蛋白，能够打开或关闭其他蛋白质。这种“蛋白质开关”由不同的单元组成，每个单元由不同的基因编码。通过突变改变不同单位的功能对 FLC 的发作至关重要。
这些类器官含有所谓的突变融合基因 DNAJB1-PRKACA。这种 DNA 变化在 FLC 肿瘤中很常见。作者说：“在类器官中重建这种突变时，我们发现它确实能够反映我们在 FLC 患者身上看到的肿瘤的多种特征。然而，这种单一突变对肝细胞的整体细胞和分子行为造成了相当轻微的影响。”
当他们引入另一组 DNA 变化时，情况完全改变，这种变化也在 FLC 患者中发现。第二个背景不仅包含 PKA 基因之一 PRKAR2A 的突变，而且还包含另一个名为 BAP1 的基因。在这种情况下，类器官呈现出侵袭性癌症的典型特征。这表明不同的遗传 FLC 背景导致不同程度的肿瘤侵袭性。除此之外，由 BAP1 和 PRKAR2A 突变引起的转化效应大大增强，使细胞能够适应不同的环境。这可能解释了 FLC 肿瘤形成过程中细胞不受控制的生长。
研究人员得出结论，尽管 PKA 基因的突变至关重要，但它们可能不足以促进 FLC 的发展。这些发现开启了寻找 FLC 肿瘤中与 PKA 突变一起发生的其他因素的可能性。这也可能被潜在地用于未来可能的治疗该形式的儿童癌症的方法。
揭示纤维板层癌的起源细胞
为了能够开发新疗法，了解癌症本身的生物学特性也很重要。第一步是了解癌症起源于哪种细胞类型：细胞源。了解特定基因缺陷在 FLC 启动和原始细胞中的重要性对于了解肿瘤随后的行为可能至关重要。
然而，在研究过程中，研究人员发现这对 FLC 来说特别困难。作者认为，主要原因是这些肿瘤具有肝细胞和导管细胞的特征，这是肝脏中最重要的两种细胞。作者的类器官结果表明，PRKAR2A 和 BAP1 的共同作用将原本健康的肝细胞转化为导管细胞，并增加了癌症干细胞的特征。这种将一种细胞类型转化为另一种细胞类型的过程称为转分化。这是一个特别有趣的现象，可能发生在各种肿瘤中，并且使得细胞来源的鉴定变得非常困难。然而，通过使用作者构建的类器官模型，我们能够发现肝细胞是可能的细胞来源。
总之，这项研究极大地促进了对 FLC 的理解，并为进一步研究如何更好地治疗这种罕见癌症类型奠定了研究基础。对遗传缺陷的见解可能会为患有这种疾病的儿童带来新的治疗方法。了解特定基因缺陷在 FLC 启动中的重要性在未来也可能有助于更好地了解患者之间的肿瘤异质性和反应。
撰文 |Cathy
编辑 | cici