引用本文
彭辉,李子义,金磊,等.中医药类器官技术及肿瘤异质性应用研究思路.中华中医药杂志, 2026,41 (6): 1577-1582
中医药类器官技术及肿瘤异质性应用研究思路
彭辉1,2,李子义2,金磊1,2 ,朱承宇2,张万宗2,张琦1,2,黄龙1,2,胡高斌1,2,经文善1,2 ,尤良震3,于庆生1,2
(1安徽中医药大学第一附属医院,合肥 230031;2安徽省中医药科学院中医外科研究所, 合肥 230009;3北京中医药大学东直门医院,北京 100700)
摘 要
类器官技术作为一种新型三维培养模型,能够较好地保留来源组织的结构特征、功能状态及肿瘤异质性,在疾病机制研究、药物筛选和个体化治疗中展现出重要价值。近年来,类器官在中医药疗效评价、中药活性成分筛选、个体化治疗及新药研发等方面展现出良好的应用前景。文章就类器官在中医药领域中的应用做一总结,特别分析了有着研究前景的同病异治和肿瘤异质性的关系,并就如何利用类器官研究二者的关系及进行中药筛选展开了思路探讨。
【 关键词 】//
类器官;中医药;现代应用;中医同病异治;肿瘤异质性
类器官是干细胞或器官前体细胞的体外培养3D细胞结构,具有分化出多种细胞类型并表现类似器官结构的潜能[1]。2009年,荷兰科学家汉斯·克里夫团队利用小鼠肠道干细胞成功构建出首例小肠类器官[2],拉开了类器官研究的序幕。随着技术的飞速发展,类器官已经成为生命科学领域全新的体外研究模型。截至目前,利用干细胞已成功构建出包括肺[3]、胃[4]、肠道[5]、胰腺[6]、肾脏[7]、心脏[8]、大脑[9]、输卵管[10] 等在内的多种类器官。与之相应的疾病类器官模型也在众多研究中运用,如胃癌、乳腺癌、结直肠癌、胰腺癌等肿瘤类器官模型已经广泛应用于实验研究[11]。相较于传统动物模型和细胞模型,类器官能够精准地模拟疾病发生发展的动态过程并进行实时观测,更加贴近真实组织的多细胞组成,保持组织内微环境,更好地表现出器官功能及与周围环境间的关系,保持良好的个体化特征[12]。作为一种全新的实验模型,类器官不仅为现代医学研究注入了新的生命力,同时也开启了中医药研究领域的崭新篇章,显示出广阔的应用前景。
类器官在中医研究中的现代应用
中医药以整体观念、辨证论治指导临床实践,具有多途径、多靶点、多通路的作用特点,依赖于传统动物和细胞模型的基础研究具有较大局限性[13]。类器官以客观化、精准化、可视化为特点,应用干细胞技术,在体外构建类似体内的组织器官模型,不仅有效避免了动物模型物种间差异所造成的实验结果偏差,同时弥补了细胞模型缺少整体性和异质性的不足,在药物疗效评价、有效成分筛选、指导个体化治疗和新药研发等方面取得了良好的进展。
1. 中医药疗效评价 类器官的细胞来源于人体,能够更加真实地模拟人体组织器官的组成、结构和功能,更加准确地反映人体内各类生理、病理调控机制。在疾病研究方面,类器官技术极大扩充了疾病模型的种类,填补了传统模型实验研究的缺点,为更加深入研究疾病提供了新机遇。如利用肝脏类器官模拟非酒精性脂肪性肝病识别出潜在药物靶点[14]、利用肝癌类器官揭示肝癌耐药机制[15]、利用肠道类器官解析APC突变基因对肠道干细胞的调控机制[16]等。通过对类器官中的细胞进行基因操控,或直接使用患者的疾病特异性干细胞构建类器官,可以真实模拟组织疾病的特异性特征,从而对中医药疗效进行准确评价。如王璐等[17]通过构建结直肠癌类器官模型(colorectal cancer organoids,CCOs),以临床一线用药奥沙利铂作为阳性对照,评价雷公藤甲素、斑蝥素与蟾毒灵对类器官活性的影响,结果表明4种药物对CCOs均有生长抑制作用,且呈明显的剂量依赖性,证实了类器官模型可维持高度异质性与基因型稳定性,充分体现个体差异以及对不同药物的敏感性。王爱萍等[18]应用小肠类器官对健脾方药四君子汤多糖提取物、黄芪甲苷进行了研究,发现四君子汤多糖提取物干预后小肠类器官出芽数明显高于对照组,黄芪甲苷干预后的小肠类器官Ki-67表达明显增强,提示四君子汤多糖提取物、黄芪甲苷的肠黏膜保护作用可能与其促进隐窝干细胞更新能力密切相关。
2. 中药有效成分筛选 疾病特异性类器官较完整地保留了疾病的特征,同时具有构建周期短、药物敏感性强等特点。这些特性使得利用患者细胞来源的个性化类器官模型成为药物筛选和安全性评价的优良模型。如有研究[19]从未接受治疗的局部晚期直肠癌患者中采集了112份活检组织,建立了96个直肠癌类器官库,采用了其中80个肿瘤类器官株进行了关于放射治疗、5-氟尿嘧啶、伊立替康以及3种方法联合治疗的敏感性研究,结果表明直肠癌类器官对放化疗敏感性与患者临床响应高度相关(敏感性78%,特异性92%、准确性84%)。而中药具有多组分、多靶标的特点,如何能够快速对药物进行有效筛选始终是中药学研究的瓶颈问题。类器官具有整体性、异质性,为中药的筛选和安全性评价提供了新思路。谷舒怡等[20]成功构建了基于3D类器官的肾毒性评价方法,并将其应用于中药单体商陆皂苷甲的肾毒性评价,发现基于3D类器官进行药物肾毒性评价不仅可减少受试物用量,利于早期对化合物潜在肾毒性进行深入评价,更能快速反映药物对肾脏毒性作用的具体部位,并可以在短期内完成对目标化合物肾毒性机制研究,缩短研究周期。韩毅[21]基于肺癌类器官平台对抗癌中药先导化合物进行筛选,成功得到了具有良好抗肿瘤活性的龙葵提取物澳洲茄边碱,为其进一步的作用机制研究奠定了基础。
3. 指导个体化治疗 辨证施治理论是中医的核心思想,其强调根据患者的体质和病情特点来制定治疗方案。随着中医现代化发展,为了更精准地实现个体化治疗,类器官被引入到中医实践中。3D培养的类器官因其来源的广泛性和独特性,可以用于检测药物敏感性、疗效和预后相关的评价和预测,从而能够对中药组方进行评价、反馈和优化,是患者进行个体化精准医疗的最佳模型,尤其是癌症的个体化治疗领域。有研究[22]对769例癌症患者中的56个体外培养的三维类器官(patient-derived organoids,PDO)和19个与其对应的体内移植的肿瘤模型(patient-derived xenograft,PDX)进行了比较,结果显示PDO和PDX均表现了原发肿瘤的组织病理学特征,包括在人类大肠癌和胰腺导管腺癌中观察到的细胞增殖增加和管腔形成。这些发现表明,PDO能够捕获原发肿瘤的基因型和表型特征,为类器官在癌症的个体化治疗中的应用提供了有力的证据。此外,一项关于转移性胃肠道肿瘤类器官用于药物敏感性测试研究的报道[23],比对分析了21例临床患者与其相应PDO对一系列靶向及化学治疗药物敏感性差异,结果表明两者具有很强的一致性,证实了类器官可以准确地预测药物疗效进而指导用药。类器官的构建,满足了中药复方及其拆方、中药单体成分及多成分复合物的高通量筛选和评价要求,为中医药组方优化提供了客观化证据,在中医个体化治疗方面具有重大的现实意义和应用前景。
4. 应用拓展与新药研发 随着技术的不断进步,类器官被逐渐应用于新药研发的多个环节,如靶点发现、高通量筛选、安全性评价、药代动力学研究等。类器官避免了动物实验与人体的差异性,能够更加准确地预测药物在人体内的有效性和毒性,同时显著缩短了临床前试验与临床试验周期,降低了开发成本与风险。此外,临床试验的伦理问题也得到了缓解。如有研究[24]通过建立多囊肾病类器官构建平台,实现了囊肿形成抑制化合物的高通量筛选。因此,利用类器官模型进行天然药物筛选评价,为开发更多有效、安全的中药提供条件。屠鹏飞教授团队创建了单细胞、单器官、多器官三个维度的类器官芯片平台,并将在此基础上建立的病生理模型应用于抗炎镇痛、心血管、抗肺纤维化、抗肿瘤的中药活性成分的发现和机制研究中[25]。其从中药复方保元汤、三七-红花有效组分等发现2个活性单体和1个活性组合物并得到体内药效学验证。癌症药物开发也一直是生物医药行业备受关注的焦点,陈曦[26]用基质胶包被并浸润培养液培养的方法成功构建了与原组织在组织和细胞层面鉴定结果基本一致的卵巢癌类器官,进而从山豆根提取物中筛选出有效馏分Sdgf E、Sdgf F和Adgs A,从Sdgf F中分离鉴定出具有抗卵巢癌的新型活性单体C并对其进行了机制验证,为卵巢癌新药研发提供了思路。
类器官技术与中医药肿瘤异质性研究
1. 中医同病异治和肿瘤异质性的关系 肿瘤异质性及其动态演进带来的复杂性是现今制约肿瘤药物治疗的核心问题,也是目前癌症诊疗向个体化、精准化方向推进的根本原因[27-30]。另外,中医同病异治是中医辨证论治的精髓,早在《素问·五常政大论》中就有记载:“西北之气散而寒之,东南之气收而温之,所谓同病异治也。故曰:气寒气凉,治以寒凉,行水渍之。气温气热,治以温热,强其内收”,其含义是指同一疾病因时、因地、因人不同,或由于病情进展程度、病机变化,以及用药过程中正邪消长等差异,治疗上应采取相应治法。从中也可以领悟,对恶性肿瘤,中医同病异治和针对其异质性实施精准治疗,有异曲同工之妙;或者说中医同病异治的理念与现代医学对肿瘤异质性和动态演进特点的认知完全契合。令人遗憾的是,中医同病异治诊治肿瘤至今仍停留在传统的望闻问切辨证阶段,严重制约了针对恶性肿瘤的精准和循证诊治。肿瘤异质性强调同一类型肿瘤在不同患者之间,甚至同一患者不同病灶之间,在基因组、表型、细胞组成及功能等方面存在显著差异。而中医“同病异治”则强调同一疾病因个体体质、病机变化、病程阶段及地域时令等不同而采取差异化治疗方案。二者均体现了疾病发生发展及治疗反应中的个体差异性,强调精准化、个体化治疗理念。因此,中医“同病异治”理念与现代医学关于肿瘤异质性的认识在本质上具有高度契合性。当前,中医肿瘤辨证仍主要依赖传统望闻问切,缺乏客观化和分子机制层面的支撑。深入研究肿瘤异质性与中医“同病异治”的关系,有助于揭示不同中医证候的科学内涵,为中医精准诊疗及个体化治疗提供新的理论依据。
2. 类器官在中医同病异治研究中的价值 中医同病异治是辨证论治思想的集中体现,而中医证候分型则是这一理论的基础。相关研究[31]表明,肿瘤的中医证候分布各异。在这一背景下,类器官的价值日益凸显,成为现代生物医学与中医药研究的重要交叉领域。类器官模型由干细胞或患者来源的细胞在三维培养系统中形成,能够模拟体内器官的复杂结构和功能特性,有研究指出,类器官不仅能在体外重现人体器官的微环境,还能高度还原疾病发生与发展的动态过程,为中医药研究提供前所未有的实验平台。例如,肝类器官模型使研究人员能够深入探讨中药对肝细胞增殖、凋亡及炎症反应的调控作用,揭示如丹参、茵陈等传统药物在改善肝纤维化和脂肪肝等疾病中的分子机制[32]。同时,类肺器官模型不仅促进了中医药对肺脏疾病的治疗机制的理解,还通过多药物筛选验证了中药在慢性阻塞性肺疾病中的个体化治疗潜力,为中医精准医学实践奠定基础[33]。类心脏器官模型为中药治疗心血管疾病提供了实验平台,表明三七、红景天等中药具备抗缺血、抗氧化及促进心肌细胞再生的作用[34]。更重要的是,类器官模型可用于研究多种疾病的共性病理机制,如肿瘤、感染性疾病及代谢紊乱,从而验证中医同病异治理念的有效性。这些模型不仅阐明中医药复杂的药效机制,还可高效进行药物筛选和毒性评估,为中医药现代化提供有力依据,推动中西医结合在临床中的应用。类器官模型的广泛应用,为中医同病异治理论提供了现代科学验证,也为中医药在精准医学、个体化治疗及新药研发中开辟了新的思路。分子层面的研究为传统中医同病异治提供了现代理论支撑,但基于传统细胞或动物模型的研究往往缺乏强个性化依据。类器官模型的产生与发展使得器官的形态与功能能够在显微镜下同时观察,在精准评价中药药效、明确药效作用靶标及揭示中药复方作用机制方面具备无可比拟的优势,对于指导中医同病异治和提升精准医疗水平具有重要的战略意义。
3. 类器官在研究中医同病异治与肿瘤异质性关系中的意义 现代医学对于肿瘤的基础研究注重于肿瘤异质性及其动态演进,将肿瘤及其微环境作为整体进行研究,重视研究整体调控网络和相应机理[35-38]。而肿瘤的中医研究集中于中医药现代医学机制阐释[39-41]。关于肿瘤的中西医治疗朝着精准化和个体化方向进展。肿瘤的异质性和动态演进是传统中医和现代医学在恶性肿瘤诊疗中共同面临着的核心问题。中医药研究现行的细胞研究或动物模型研究,难以和临床中医证候辨证论治思想及现代医学的肿瘤异质性相统一。“中医同病异治”理论缺乏现代分子机制解释,临床肿瘤患者个体化治疗方案的制定缺乏科学指导,中医证候缺乏客观化标准。如何阐明“中医同病异治”的分子机理,如何推动中医证候诊断的标准化,如何构建全新的中医药研究平台,这些都亟需寻求一种新的肿瘤研究方式。
类器官的发展为研究中医同病异治和肿瘤异质性提供了一柄利器。首先,肿瘤类器官模型最大程度保存肿瘤微环境的特征,包括细胞和组织之间的相互作用,以及细胞和基质之间的交互作用。这种更接近真实肿瘤组织的结构有助于更准确地研究肿瘤的生物学特性和治疗反应。其次,肿瘤类器官模型中可以包含多种细胞类型,如肿瘤细胞、免疫细胞、内皮细胞等,更加贴近真实肿瘤组织的多细胞组成,有助于研究肿瘤的多维度特征。最后,肿瘤类器官模型可以模拟肿瘤组织的功能,包括代谢、分泌和转化等生物过程,为临床个性化治疗策略的制定和优化提供更可靠的依据。因此,基于肿瘤类器官模型进行肿瘤发生机制研究、临床药效评价和作用机制探索、临床个性化用药方案制定更具准确性,可以真正实现肿瘤的精准化和个体化治疗。有研究[42]利用转录组学、基因组学和单细胞测序技术比较了结直肠癌患者原发灶和肝转移灶PDO,发现转移灶肿瘤较好地保留了相应原发肿瘤的驱动基因突变特征,另外也产生一些新的突变图谱,这些突变是否驱动肿瘤发生转移有待进一步研究。有研究[43]将PDO高通量药物筛选技术和CRISPR/Cas9技术结合,在胃癌PDO中寻找基因组改变与药物敏感性之间的关联。研究发现在人正常胃组织PDO中敲除TP53和ARID1A,转录因子(forkhead box protein M1, FOXM1)及下游参与细胞增殖调控的基因会显著上调,进而促进胃癌的发生。高通量药物筛选发现FOXM1下游靶标BIRC5/Survivin的抑制剂YM-155能显著抑制TP53/ARID1A双敲除胃癌PDO的增殖存活。通过构建不同中医证候的肿瘤类器官模型,能够保留肿瘤组织的形态特征和基因组学特征,真实还原肿瘤的异质性,进而对相关的证候分子进行研究分析,进一步探讨肿瘤异质性与中医同病异治之间的关系。
利用类器官研究中医同病异治和肿瘤异质性的关系及中药筛选
肿瘤类器官模型是肿瘤学研究中可靠的体外模型。临床选择满足研究需要的原发性肿瘤患者,收集患者肿瘤资料(包括病理类型、组织分化程度、肿瘤侵犯部位及治疗情况等)和中医四诊信息。在患者知情同意下选取部分肿瘤组织构建肿瘤类器官模型。对建模成功的类器官模型进行多维度分析,运用组织切片、免疫组化、基因测序等技术综合分析肿瘤的细胞类型分布、蛋白表达和基因变异等特征,评估和描述肿瘤类器官的异质性。同时,对收集到的中医四诊信息进行辨证分型,结合中医理论和专家意见,提取与肿瘤类器官相关的中医证候特征,并对其进行标准化处理。将中医证候信息与肿瘤类器官的评估数据进行整合,建立相应的数据库或数据模型,利用统计学方法、人工智能等技术手段,对肿瘤类器官和中医证候进行相关性分析、模型预测等处理,分析肿瘤类器官的异质性与中医证候之间的关系。根据数据分析的结果,解释肿瘤异质性与中医同病异治思想的关系。最后将结果进行临床验证,并根据实验的实际需要对方案设计进行调整和优化。具体思路展示如图1。
图1 基于肿瘤类器官探讨肿瘤异质性与中医同病异治关系思路
传统药物筛选模型无法从整体上评估中药的多靶点和多组分的作用模式,如何能够快速对药物进行有效筛选始终是中药学研究的瓶颈问题。尤其在中药毒性物质筛选及中药安全性评价方面,现有动物模型和细胞系并不能准确预测中药在人体的不良反应,致使进行中药研究所投入的时间和精力远超于化学药物研究[44]。类器官立体地模拟了人体真实组织的特性,其优势在药物筛选中同样得到充分的体现,类器官高通量药物筛选能够同时处理多个样品,快速评估药物的效果,大大提高筛选效率,同时,其对真实器官优秀的模拟性也大大提高了评估结果的准确性。通过建立肿瘤类器官标本库,以标本库为基础进行天然中药化合物的高通量筛选,对药物的活性和毒性进行测定和评估,筛选出具备良好抗癌潜质的中药化合物。通过肿瘤细胞系和动物模型对该部分化合物的效应和安全性进行进一步验证,确认某种化合物在肿瘤临床治疗中的潜在应用价值。
小结
类器官研究领域的飞速发展给中医药基础与临床研究带来诸多机遇。特别通过构建肿瘤类器官并评估肿瘤异质性,结合患者中医证候数据信息,可以全面深入探讨肿瘤异质性与中医同病异治之间的关系。这一研究策略目前在国内外尚未见文献报道,也未见具体的现行实施方案。这将有助于进一步研究肿瘤的发展机制,为中医治疗肿瘤提供更加有力的支撑,为肿瘤的中医精准化、个体化治疗提供更多样的治疗策略。但是,我们同样面临着诸多挑战。在技术环节,现有类器官模型对组织器官的模拟水平整体来看仍然比较初步,在细胞组成、结构和功能上都没有实现完整的模拟,尤其是类器官中神经、血管、免疫系统及微环境的建立仍然存在大量瓶颈问题有待突破[45]。在应用环节,如何保证现有类器官模型的可重复性和一致性是最关键的瓶颈问题,目前还没有建立起一个标准化类器官构建技术体系,不同实验室构建的类器官模型间都会存在很大差异,这种差异意味着在应用中将带来极大误差和风险[46]。同时,在多类器官联合体系的建立中,不同类器官之间的关联模式和协同培养方法也有待探索。此外,在肿瘤异质性与中医证候的关系验证中需要大量的数据资料,数据的收集、整理与筛选工作量巨大。如何将类器官应用于中医药的研究和临床转化中,仍需大量的探索与实践。总之,挑战与机遇共存,类器官技术在中医研究中展现出广阔的应用前景,中医药在世界科技发展的驱动下,也定会实现新的突破。
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来源|《中华中医药杂志》编辑部
编发|徐宝南
初审|张燕
复审|郭蕾
终审|郭希勇