从模型到临床：患者来源肿瘤类器官赋能新药研发的机遇与挑战！

近日，中国人民解放军联勤保障部队第920医院、楚雄彝族自治州人民医院与嘉士腾共同合作在Investigational New Drugs上发表文章“Patient-derived tumor organoids for new drug development: promises and challenges”。该综述全面梳理了类器官的起源谱系，系统阐述了患者来源肿瘤类器官（PDTOs） 在新药研发领域的核心应用场景，同时深入剖析了该技术体系面临的核心瓶颈与发展机遇，以期为抗肿瘤新药研发的创新突破提供坚实的理论支撑与切实的实践指引。

1、引言

抗肿瘤药物的开发一直面临研发周期长、体内药效差异大和个体间疗效差异等问题。PDTOs是从患者身上提取的肿瘤组织或干细胞在特定的3D体外微环境下自组织发育而来的小型化体外器官模型，可以很大程度模拟目标组织或器官的遗传特征和表观特征，已成为癌症研究领域一种新颖的临床前模型。大量研究已证实，PDTOs可以高度重现原始肿瘤的生物学和分子特征，同时保留肿瘤异质性，且在药物筛选和新药研发方面显示出巨大的潜力。

本综述系统总结了类器官来源及PDTOs在新药研发中的应用，并进一步阐述了PDTOs面临的挑战与发展机遇，旨在为新药研发领域提供极具价值的深度见解。

2、类器官来源

类器官可由两类干细胞构建，即成体干细胞（ASCs）和多能干细胞（PSCs）；其中PSCs又包括胚胎干细胞（ESCs）与诱导多能干细胞（iPSCs）。ASCs来源与PSCs来源的类器官构建流程存在显著差异。ASCs来源的类器官需依赖培养基中模拟正常干细胞稳态状态的生长因子混合物进行培养，而PSCs来源的类器官则需通过逐步添加生长因子的方式诱导细胞定向分化，以此模拟胚胎发育过程中的细胞信号传导通路。尽管二者在肿瘤建模方面存在较大差异，但ASCs与PSCs来源的肿瘤类器官具有互补性，均为揭示肿瘤发生与进展的全流程机制提供了全新的研究视角。

2.1 ASCs来源的类器官

早在2009年，Sato等便证实小鼠Lgr5⁺肠道ASCs可用于构建三维肠道类器官。在Matrigel中培养的细胞，可通过添加R-spondin1、EGF、noggin等干细胞微环境调控因子，实现长期体外培养。在体内，肠道上皮组织可形成隐窝-绒毛结构，肠道干细胞定位于隐窝底部。值得注意的是，培养基中添加R-spondin1、EGF及noggin是成功构建类器官的关键条件。近期研究发现，Lgr5⁺干细胞之间的潘氏细胞可作为Wnt信号来源。Matrigel因富含层粘连蛋白，其结构与肠道隐窝底部相似，可为细胞提供黏附所需的基质成分，从而促进类器官的形成。这类具有隐窝-绒毛结构的肠道类器官，能够忠实保留原发组织的生理特征。同时，气液界面（ALI）培养技术也已应用于肠道类器官的培养。基于上述两项技术突破，ASCs来源的类器官已成功从多种人体正常组织及相应肿瘤组织中构建。此外，改良的类器官培养方案为从活检样本、循环肿瘤细胞、尿液及宫颈涂片等样本中构建肿瘤类器官提供了可能。近年来，越来越多的PDTOs大型活体生物样本库相继建立，为基础研究与临床转化研究提供了极具价值的平台。

2.2 PSCs来源的类器官

ESCs的研究易受伦理法规的严格限制。相比之下，iPSCs可通过重编程将体细胞恢复至多能状态。iPSCs来源类器官的构建流程为：先将iPSCs直接定向分化为三胚层，再置于含特定生长因子与信号分子的三维基质中培养。在PSCs来源类器官的构建中，首先利用激活素A处理人PSCs以诱导其向内胚层分化，随后加入FGF4和Wnt3a进行孵育，促进后肠特化，最终生成表达KLF5、CDX2等肠道特异性标志物的肠道类器官。此后，PSCs来源类器官被广泛应用于疾病模型构建。目前，多种PSCs来源类器官已成功建立。然而，在癌症研究中，PSCs来源类器官无法像肿瘤组织来源的ASCs类器官那样，在培养过程中重现获得性癌症基因突变。尽管研究人员已尝试通过将癌细胞直接重编程为PSCs来解析肿瘤发生过程，但相关成果仍相对有限。另一种策略是在PSCs中引入致癌突变后，通过诱导分化构建多种癌症模型，该策略在脑类器官的构建中已取得显著成功。值得注意的是，通过将脑类器官与胶质瘤干细胞共培养，可模拟脑微环境，分析细胞间相互作用及细胞迁移过程，从而复现胶质母细胞瘤侵袭及上皮恶性肿瘤脑转移的病理进程。

3 、PDTOs用于新药研发

3.1新型药物靶点的鉴定与验证

类器官可精准复刻原发组织的基因组变异、分子特征与异质性，是筛选治疗靶点、解析疾病进展的关键模型（图1）。在胰腺类器官研究中，Bishehsari等发现KRAS 突变可重塑巨噬细胞的促肿瘤表型，推动肿瘤发生。尽管p38α（Mapk14）是结直肠癌的重要靶点，但现有抑制剂的抑制效果不佳。Rudalska等开发的超长靶点驻留时间p38α抑制剂（ULTR-p38i），凭借优异的药代动力学特性与高选择性在结直肠癌类器官中展现出强效治疗潜力。Xu等则发现，PKMYT1抑制剂 lunresertib与ATR抑制剂camonsertib联用，对CCNE1扩增型卵巢/子宫内膜癌具有显著协同杀伤效应，且该结果在类器官模型中得到验证，既强化了其临床转化价值，也确立了CCNE1作为该联合方案敏感性预测生物标志物的可行性。此外，结合CRISPR/Cas9（图2）、RNA干扰等基因编辑技术，类器官还可高效完成治疗靶点的功能验证。

图1. 肿瘤类器官用于药物研发的示意图

图2. CRISPR-Cas技术在患者来源肿瘤类器官中的应用

3.2 药物筛选与评价

类器官技术可用于构建多种肿瘤类器官，以筛选和评估不同类型的抗肿瘤药物。既往已成功建立原发性肝癌类器官，借助该模型实现了生物标志物鉴定与药物筛选，并发现ERK抑制剂SCH772984有望成为原发性肝癌的潜在治疗药物。利用胰腺导管腺癌（PDAC）类器官，研究人员针对潜在治疗靶点DCLK1开展了药物筛选。DCLK1抑制剂在PDTOs中展现出显著的抑制效果，而在传统肿瘤细胞系中却无明显疗效。此外，通过结直肠癌类器官与配对健康结肠黏膜类器官的对比筛选，研究人员从500余种双特异性抗体中鉴定出EGFR×LGR5双特异性抗体MCLA-158，该抗体可有效抑制结直肠癌类器官生长，并预防转移发生。这是首次在实体肿瘤类器官中完成候选药物的临床前筛选，为基于类器官的新药研发奠定了重要基础。

肿瘤类器官与基质细胞、免疫细胞等非肿瘤细胞的共培养模型，可用于评估免疫治疗药物及能够增强免疫细胞杀伤效应的药物。基于小鼠或患者来源乳腺癌类器官与肿瘤特异性细胞毒性T细胞的功能互作，Zhou等通过高通量筛选鉴定出可增强抗原呈递及T细胞介导细胞毒性的表观遗传抑制剂。研究发现，筛选获得的GSK-LSD1、CUDC-101和BML-210均具有抗肿瘤活性，其中BML-210处理可显著增强乳腺癌肿瘤对PD-1抑制剂的敏感性（图3）。另有研究利用肿瘤类器官与免疫细胞的共培养模型，评估了正处于临床试验阶段的 CEA-CD3 T细胞双特异性抗体cibisatamab（CEA-TCB），结果表明高亲和力的 CEACAM5-TCB在CEA低表达类器官中仍保持活性。

图3. 基于肿瘤类器官的药物验证测试示意图

3.3诊断生物标志物的预测

鉴于PDTOs能够完整保留原发肿瘤的基因组特征与异质性，其已被视为预测药物疗效与鉴定潜在诊断标志物的高效体外模型，相关发现后续可通过临床样本分析进一步验证。基于唾液腺肿瘤类器官库的研究证实，PTP4A1可作为黏液表皮样癌的有效诊断生物标志物 (43)。在另一项肺神经内分泌肿瘤类器官的研究中，ASCL1被鉴定为大细胞神经内分泌癌患者对BCL-2抑制剂治疗响应的潜在生物标志物 (44)。此外，通过整合PDTOs的多组学图谱与体外药物筛选数据，还可鉴定出多种潜在预测性生物标志物。

3.4 拓展药物适应症

除处于研发阶段的新药外，PDTOs还可用于已获批药物或临床试验阶段药物的再筛选，以拓展其治疗适应症。既往研究中，研究人员利用胰腺癌类器官模型，从约6000种FDA批准的化合物中，筛选出可显著抑制类器官生长的候选药物。借助高通量筛选平台，perhexiline maleate被鉴定为可抑制KRASG12D突变型胰腺癌类器官及人原代PDAC类器官生长并诱导其凋亡的化合物。该药物最初用于抗心绞痛，且有研究报道其为肉碱棕榈酰转移酶1抑制剂。此外，基于胃癌类器官生物样本库的大规模药物筛选，研究还发现了多种已获批或处于临床试验阶段的敏感药物，包括Napabucasin、Abemaciclib以及ATR抑制剂VE-822。

3.5 药物作用机制与耐药机制研究

类器官技术结合转录组学、蛋白质组学、单细胞转录组学等高通量测序技术，可实现从分子到细胞水平的药物作用机制解析，助力阐明药物对机体多种生物学过程的调控效应。Armstrong等建立了一种基于PDTOs的高通量药物筛选体系，用于模拟PDAC对多种治疗方案的响应，证实该多靶点类器官筛选模型可作为指导患者分层与治疗方案选择的临床前工具。同时，研究人员通过靶向药物通路分析，鉴定出与受试药物作用机制相关的多种响应预测因子。基于人结直肠癌类器官开展的老药新用筛选与机制研究中，通过对药物响应的详细转录组分析，将药物响应特征归纳为诱导分化、生长抑制、代谢抑制、免疫激活及细胞周期抑制五种典型模式，从转录组层面揭示了药物的作用机制。

肿瘤治疗中耐药问题不可避免，而PDTOs是研究耐药机制的理想模型，可为耐药患者提供潜在治疗靶点与预测生物标志物，并可用于构建原发性耐药与获得性耐药模型。Tao等证实，上皮性卵巢癌类器官可有效评估不同条件下PARP抑制剂的敏感性，并解析其耐药机制。Chen等成功构建奥沙利铂耐药的 结直肠癌类器官模型，借助单细胞RNA测序揭示了多个潜在的耐药驱动基因与转录因子。基于肺癌类器官的研究则阐明了腺鳞转化在KRAS抑制剂耐药中的作用。此外，Li等依据代谢组学特征将PDAC类器官分为高糖代谢型与高脂代谢型。该研究不仅揭示了与化疗敏感性差异相关的代谢异质性，还为高糖代谢型化疗耐药患者提供了潜在的靶向治疗策略。

3.6 药代动力学与药效学研究

药代动力学检测是新药研发的关键环节。然而，在动物体内开展的药代动力学与药效学分析，通常无法准确反映药物在人体中的真实响应。Skardal等报道了一种整合肝脏、心脏组织的器官芯片系统，发现药物响应依赖于组织间的相互作用，这一发现凸显了多组织整合模型在研究候选药物疗效及相关副作用中的重要性。另一项研究中，研究人员通过流体耦合技术，将肠道、肝脏、肾脏的双通道微流控器官芯片模型构建成一套人体药物吸收、代谢、排泄的首过效应模型（图4）。该模型不仅为药物研发与毒理评估提供了可实验操作的平台，还为Ⅰ期临床试验的给药方案优化提供了重要依据。此外，iPSCs来源的肠道类器官具备药代动力学功能，即类器官中可检测到药物转运体的表达、ABCB1/MDR1介导的外排转运活性，以及核受体配体诱导的药物代谢酶CYP3A4表达。可见，肠道类器官有望成为新药研发中药代动力学评估的理想模型。

图4. 多器官芯片系统示意图

3.7 药物毒理检测

类器官是研究药物毒理的理想工具，可揭示药物诱导细胞毒性与死亡的机制，以及其对特定细胞类型和死亡通路的选择性损伤。研究团队利用健康小肠、结肠类器官解析了吉非替尼的毒性机制，并完成了转录组层面的分子分析，同时也通过该模型在转录组与蛋白组水平上阐明了阿霉素致肠道毒性的分子通路，深化了对其肠道基因表达调控效应的理解。此外，人原代肺泡上皮来源的细支气管肺泡类器官，可模拟肺上皮微环境，用于早期筛查抗体药物偶联物的脱靶毒性。尽管此类毒性已在临床前阶段被系统评估，但该类器官模型仍为毒理验证提供了关键补充。

4、挑战与展望

尽管肿瘤类器官技术已广泛应用于药物筛选与研发领域，但其仍面临诸多挑战。首先，目前虽已建立十余种PDTOs的培养方案，但针对特定癌种的标准化培养体系与流程仍较为匮乏，严重制约了PDTOs的可重复性与规模化应用。近年来，研究人员正致力于优化PDTOs的培养规模与质量控制，以推动其在药物筛选与研发中的转化应用。Lawlor等证实3D生物打印技术在构建肾脏类器官中的可行性。该技术可精准调控类器官的大小、细胞数量等生物物理特性，且基于该模型的氨基糖苷类药物毒性检测结果具有良好的可重复性。该研究表明，生物打印技术有望为未来类器官相关的药物筛选与研发提供高通量、高可控性的实验模型。

其次，PDTOs普遍缺乏血管系统与完整的肿瘤微环境。人体血管系统对肿瘤的生长与转移至关重要，而PDTOs中缺失的完整血管网络，导致类器官内部细胞无法获得充足的营养与氧气供应，进而影响细胞活性，甚至诱发凋亡。近年来，有研究利用明确组分的水凝胶体系构建共培养模型，成功模拟并解析了肝细胞癌与内皮细胞间的血管旁分泌串扰。该共培养模型有助于深入理解血管生成与免疫微环境的相互作用，并为靶向该通路提供了理论依据。共培养模型作为PDTOs未来的重要发展方向，为研究肿瘤细胞与多种免疫细胞的复杂互作、解析肿瘤生物学特性及推动免疫治疗策略研发提供了极具潜力的实验平台。我们相信，随着共培养模型的不断发展，肿瘤微环境的全基因组综合分析也将随之实现。

5、结语

PDTOs的构建在研究肿瘤发生机制、耐药机制、药物筛选及新药研发方面具有重要的临床价值与意义。尽管现阶段仍面临部分挑战，但PDTOs能够更好地还原原发肿瘤的组织学特征、基因组特征与分子特征，同时保留肿瘤异质性，因此在药物筛选与新药研发领域展现出巨大潜力。FDA相关新法规的获批，预示着PDTOs将被广泛应用于药物筛选及新药研发。此外，器官芯片技术已与类器官模型结合，构建出更贴近体内组织生理或病理状态的模拟系统。未来，有望通过整合肿瘤实质细胞、肿瘤微环境以及血管与免疫细胞网络，构建基于PDTOs 的模拟体内生理状态的模型体系。

嘉士腾有丰富的类器官资源库与高标准模型体系，可提供疾病模型构建、药物高通量筛选、药理药效研究、药物安全性评价、转化医学研究等多元化技术服务，助力提升新药研发临床转化成功率。

类器官新药研发服务丨病理模型构建

→ 患者来源肿瘤类器官（PDO）病理模型构建

→ 患者来源罕见病/遗传性疾病类器官病理模型构建

→ 器官特异性退行性疾病病理模型构建

→ 患者来源IBD病理模型构建

→ 肿瘤微环境（免疫/间质）共培养模型构建

→ 感染性疾病（病毒/细菌）共培养模型构建

→ 基因编辑修饰类器官模型构建

类器官新药研发服务丨药物高通量筛选

→小分子化合库高通量筛选

→ XDC药物、抗体药物、多肽药物及靶向药物早期高通量筛选

→ 联合用药方案快速筛选

→ 老药新用高通量适应症筛选评价

类器官新药研发服务丨药理药效研究

→ 药物信号通路与作用机制研究

→ 靶向药物疗效验证与作用靶点确认

→ 肿瘤药物ex vivo药效评价

→ 非肿瘤药物ex vivo药效评价

→ PDOX体内药效评估

类器官新药研发服务丨药物安全性评价

→ 器官特异性non-GLP评价（肝脏/肾脏/心脏/神经/肺）

→ 多器官联合药物毒性评估

→药物代谢研究（肝脏/肠道/血管）

→GLP毒性评价预筛（动物胃/肠/肝等类器官）

引用文献: He M, Wu Y, Du F, et al. Patient-derived tumor organoids for new drug development: promises and challenges. Invest New Drugs. 2026. doi: 10.1007/s10637-026-01605-3.