文献资讯 | 肿瘤类器官与病原微生物共培养：一种模拟体内感染的新模型！

近日，由辽宁省肿瘤医院、北京大学国际医院与嘉士腾合作共同在国际权威期刊Frontiers in Cellular and Infection Microbiology（IF：4.8）上发表综述性论文“Coculture of tumor organoids with pathogenic microorganisms: a novel system to mimic in vivo pathogenic infection”。文章主要从肿瘤类器官的制备与鉴定、肿瘤类器官与病原菌共培养技术及其临床应用等方面进行系统阐述，旨在进一步理解和模拟宿主与病原体之间的相互作用机制。

01研究背景

自20世纪初以来，病原体感染与肿瘤之间的复杂关系已被广泛研究。据统计，2012年诊断出的癌症新病例约220万例可归因于致癌感染，其中幽门螺旋杆菌（HP）、人乳头瘤病毒 （HPV）、乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒（HCV）和EB病毒（EBV）发挥着重要作用。既往研究已证实，肿瘤的发生与多种病原菌密切相关（表1、2）。

传统研究多基于体外细胞系、永生化细胞或动物实验，但难以在三维环境中精准建立肿瘤与病原体的共培养模型。肿瘤类器官作为介于体外癌细胞系和异种移植模型之间的过渡模型，能有效保留细胞间及细胞与基质的相互作用，更接近原始肿瘤特征，为研究病原体与肿瘤的相互作用提供了新平台。该研究主要从肿瘤类器官的制备与鉴定、肿瘤类器官与病原菌共培养技术及其临床应用等方面进行系统阐述，旨在进一步理解和模拟宿主与病原体之间的相互作用机制。

表1. 不同肿瘤类型中病原体诱导肿瘤发生的常见机制

表2. 与癌症发生风险相关的常见病原微生物

02 肿瘤类器官的制备与鉴定

癌症作为一种极其复杂的疾病，其异质性表现为不同患者的同一癌症亚型都可能存在显著差异，如细胞形状、大小和基因表达（图1）。不同肿瘤类器官的质控，尤其是其标志物的稳定表达对于鉴定是否成功构建起到了十分重要的作用。不同来源肿瘤类器官的形态和培养条件已经在多篇文章中报道。因此，该研究进一步汇总了不同来源肿瘤类器官鉴定时应用的标志物（表3），旨在为肿瘤类器官标准化质控提供依据。

图1.  A：天然肿瘤标本及其衍生的肿瘤类器官和异种移植物；B：肺癌类器官冷冻前和解冻后的明场显微镜图像和H&E染色图像。LCO-28：鳞状细胞癌；LCO-29：大细胞癌；LCO-51：腺癌；LCO-75：小细胞癌；LCO-86：腺鳞状癌。

表3. 肿瘤类器官标志物的鉴定

03类器官与病原菌共培养技术的发展

共培养技术的出现对于研究宿主-病原体相互作用，还原体内复杂性至关重要。由于细胞培养无法模拟器官的复杂性和多组织串扰，导致其预测体内效应有限。近年来，以类器官共培养为代表的微生理系统在干细胞生物学、疾病建模和宿主-病原菌相互作用方面取得了重大进展。然而，微生物与疾病之间仍然存在复杂的关系。因此，开发简化且有意义的方式对宿主-微生物关系进行建模，对细菌的粘附和内化机制进行显微可视化和分子分析，以及为各种生化、免疫学和药理学应用提供合适的设置十分重要。

目前，类器官与病原菌共培养技术主要包括：（1）直接共培养，即将病毒等病原体与类器官直接接触，如HBV上清液与肝类器官共培养（图2A），其操作简便，但共培养周期较长，且类器官传代能力受限。（2）微生物注射入类器官官腔（图2B），通过微注射将微生物精准导入类器官官腔如HP注入胃类器官，可控制病原体定位，但手动操作限制了高通量研究。（3）Transwell共培养，该方法优点在于可使单个细胞更均匀地暴露于微生物，但缺乏空间和环境保护的细菌隔室，导致专性厌氧菌存活率低或其他细菌物种不受控制的生长（图2C）。（4）器官芯片，由从宿主组织分离的活细胞作为基础的微流控器官芯片可用于体外模拟器官，实验人员能够以单独调控和多种调控条件组合的方式改变局部细胞、分子、化学和生物物理参数，同时分析它们如何促进人类癌症的形成和进展以及对治疗的反应（图2D）。

图2. 类器官与病原菌共培养模式，A. 菌液直接与细胞共培养；B. 类器官的显微注射；C.基于Transwell的共培养示意图；D. 肠道类器官芯片示意图。

04肿瘤类器官与病原菌共培养的临床应用

共培养技术在生物学中有许多应用，如研究细胞群之间或细胞与病原微生物之间的相互作用。传统共培养系统复杂，缺乏多功能性，且不能充分模拟宿主环境。肿瘤类器官共培养模型可以有效地模拟肿瘤细胞之间相互作用的环境。具有特定类型细胞的肿瘤类器官共培养系统可用于不同的研究，且与多种类型细胞的共培养可以准确地模拟肿瘤微环境。

该研究主要从脑肿瘤类器官与病毒感染、肺类器官与病毒感染、鼻咽癌类器官与EBV感染、胃癌类器官与HP、肝癌类器官与HBV以及宫颈癌类器官与HPV等方面描述了肿瘤类器官与病原菌共培养的临床应用。

05挑战与展望

由于感染的发生，宿主与病原体的相互作用可能会引发宿主免疫反应，也可能导致免疫反应加剧，这主要与六个因素相关，包括宿主易感性、侵入门户、传播方式、排出门户、病原体储存库和病原体本身。类器官作为研究病原体诱导肿瘤发生的平台，可用于研究感染链模型的各个环节，从而有助于制定更有效的防控措施，加深对宿主-病原体相互作用的理解（图3）。然而，目前仍面临几项挑战。首先，由于缺乏基质成分，类器官难以完全捕获肿瘤微环境对肿瘤行为的影响。其次，微生物定植效率存在差异，且厌氧菌的研究需要专门技术，包括特定的培养方法和微生物操作。此外，微注射过程中的手动操作性质限制了高通量实验的开展。尽管以特定感染复数（MOI）将病原微生物与类器官直接共培养的技术已广泛应用，但关于 MOI 和感染时间仍缺乏标准方案。值得注意的是，类器官中的突变通常为亚克隆性、随机性的，且主要影响非编码区域，但优化和标准化类器官培养的试剂与方案，对于其在临床环境中的有效应用至关重要。

尽管存在上述挑战，但肿瘤类器官与病原菌共培养对于理解和模拟人类病毒感染状态、体内平衡和疾病进展具有很大应用价值。此外，该系统为未来研究病原体诱发感染和肿瘤机制提供了一个可行的起点。基于肿瘤类器官的共培养模型将进一步促进患者衍生疾病模型、药物筛选、干细胞研究以及宿主病原体的相互作用，为其在转化研究和个性化治疗中的应用铺平道路。

图3. 用于研究感染链模型各个环节的类器官示意图