本文来源：盛合瑞生物、类器官学社

随着科技的不断进步，一种新型的3D培养技术正悄然改变我们对宫颈癌的理解和治疗方式。近日，来自南方医科大学的易笑和王沂峰、粤港澳大湾区精准医学研究院林鑫华以及华南理工大学的黄浩团队利用患者自身的组织，创造出一种全新的细胞培养环境——宫颈细胞外基质（UCEM）水凝胶，并自主研发新型宫颈癌类器官模型。这不仅为我们提供了一个观察和研究宫颈癌在更接近体内条件下行为的窗口，更搭建了一个测试新药物和疗法的平台。该研究获得国家自然科学基金、粤港澳大湾区精准医学研究院创新合作项目、广州市科学技术局重点研发计划等基金的资助。

文章介绍

• 题目：宫颈细胞外基质水凝胶优化宫颈鳞状细胞癌类器官的肿瘤异质性
• 杂志：Science Advances
• 影响因子：IF=13.6
• 发表时间：2024年5月

#1

研究背景

Background

宫颈癌是最常见的妇科恶性肿瘤之一，尤其是宫颈鳞状细胞癌（CSCC），对女性健康构成重大威胁。尽管已明确人乳头瘤病毒（HPV）为宫颈癌的主要诱因，全球亦通过HPV疫苗接种和早期筛查来积极防治，但每年仍有许多患者被确诊。然而，现有的研究模型，如癌细胞系和肿瘤组织异种移植，未能完全模拟人类CSCC在体外的自然病理状态，这限制了我们对肿瘤发生机制和药物反应机制的理解。传统的体外模型虽用于培养类器官，但其无法模拟特定组织微环境，存在物种差异，且缺乏CSCC肿瘤组织中高比例的胶原蛋白纤维，这导致了肿瘤异质性和个体差异在模型中的体现不足，从而影响了药物开发和精准医疗的进展。

因此，本研究旨在开发一种更贴近人类CSCC自然病理状态的体外模型。通过收集患者的癌旁宫颈组织，制备成UCEM水凝胶，构建出一个能更准确反映肿瘤异质性和个体差异的模型。这种基于患者来源的细胞外基质类器官模型，有望提供一个更贴近生理学的环境，以促进对宫颈癌病理学和治疗的深入研究，同时提高药物筛选的准确性和效率。

#2

研究思路

Methods

1. 利用去细胞化技术从患者的癌旁宫颈组织制备UCEM水凝胶。
2. 通过质谱分析UCEM，鉴定了多种组织特异性信号通路，如HPV、磷脂酰肌醇3激酶-AKT信号通路和细胞外基质受体。
3. 将UCEM水凝胶用于培养CSCC类器官，观察其对肿瘤细胞的影响。

图1

#3

研究结果

Results

1. 宫颈癌旁组织的脱细胞和凝胶化

研究人员采用脱细胞技术制备人宫颈细胞外基质（ECM）水凝胶（UCEM）的方法。将宫颈组织切碎、去细胞、消毒、冻干并磨成粉末，通过盐酸消化胃蛋白酶得到预凝胶，再用氢氧化钠中和得到UCEM。这种UCEM具有高透明度和低杂质的特点，能在37℃下固化成半球形液滴状结构，为细胞生长提供三维环境。实验结果显示，脱细胞过程有效去除了大多数细胞成分，同时保留了关键的ECM成分，如胶原纤维和层粘连蛋白等。DNA含量的大幅下降和干重的显著降低进一步验证了脱细胞效果。微观结构分析表明，胶原纤维形成了致密的网络，且UCEM具有高的粘弹性和机械强度。这些表明脱细胞技术能够成功去除细胞成分，同时保留ECM的结构完整性（图2）。

图2

2. UCEM保存独特的宫颈ECM微环境

通过质谱法，研究人员在UCEM中鉴定了1368个蛋白质，数量超过Matrigel，且显示出更高的人宫颈组织特异性蛋白丰度。UCEM中发现的蛋白质涉及多种核心基质和相关蛋白，并在蛋白质修饰、信号转导和囊泡运输等方面发挥重要功能。GO和KEGG富集分析揭示了UCEM蛋白质在细胞代谢、细胞-ECM相互作用以及HPV相关信号通路中的作用，这些通路对细胞增殖、运动、发病等过程至关重要。此外，UCEM保留了与天然宫颈组织相似的ECM结构成分和关键蛋白质，如胶原蛋白和基底膜成分，以及大量分泌蛋白和外泌体蛋白，这些蛋白在CSCC的增殖、侵袭和转移中起关键作用。因此，UCEM不仅提供了细胞生长所需的ECM结构成分，还保留了与细胞活动密切相关的细胞因子和组织特异性蛋白质，使其成为一种独特的实验工具，有助于研究肿瘤与ECM之间的复杂相互作用（图3）。

图3

3. 用UCEM支持CSCC类器官的形成和生长

研究人员共收集了52例CSCC样本，并记录了患者的基本信息。通过消化过滤后，将CSCC细胞包埋于Matrigel和UCEM中，并在CSCC类器官培养基中培养。结果显示，Matrigel和UCEM都能成功培养CSCC类器官，但UCEM的类器官形成效率稍低。UCEM中层粘连蛋白含量低于Matrigel，而层粘连蛋白是影响类器官形成效率的关键因素。在UCEM中添加不同浓度的层粘连蛋白异构体后，CSCC类器官的形成效率得到提高，但仍低于Matrigel。扫描电镜显示，CSCC类器官周围存在胶原蛋白和其他蛋白质成分。此外，通过比较不同来源的ECM水凝胶（包括UCEM、人子宫体、猪子宫颈和猪子宫体），发现UCEM在CSCC类器官形成中的效率最高。

研究人员进一步比较了在Matrigel和UCEM中培养的CSCC类器官的大小、形态及活性。结果显示，无论在Matrigel还是UCEM中，CSCC类器官均呈现出致密的球形结构。经过一周的培养，两种基质中的CSCC类器官均保持高活性，细胞存活强劲，表明CSCC细胞能够适应UCEM的生物微环境。动态观察显示，UCEM中的CSCC类器官与Matrigel中的类似，保持球形结构和光滑形态，且两者在生长过程中大小相当，无显著差异。此外，UCEM中冷冻保存的CSCC类器官可成功复活、再生和扩增，保持稳定的形UCEM中CSCC类器官与天然组织更接近的转录相似性态，对长期培养和建立CSCC生物库有利。通过H&E染色和免疫组织化学染色分析，发现UCEM和Matrigel中培养的CSCC类器官均保持了CSCC组织的结构和表型特征。这些结果表明，UCEM可支持CSCC类器官的形成和生长，保留CSCC的结构和表型特征（图4、5）。

图4

图5

4. UCEM中CSCC类器官与天然组织更接近的转录相似性

为了深入探究UCEM中培养的CSCC类器官的转录组学特性，研究人员对3例患者的天然CSCC组织、Matrigel及UCEM中培养的CSCC类器官进行了mRNA测序。结果显示，两种培养方法均能有效保留CSCC组织的转录组特征。与正常宫颈鳞状上皮组织相比，CSCC组织和类器官表现出显著差异，其中UCEM培养的CSCC类器官与天然CSCC组织更为相似。进一步分析发现，UCEM培养的CSCC类器官中229个基因显著上调，70个基因下调，这些差异基因主要涉及免疫应答、信号转导和细胞粘附等生物过程。KEGG富集分析揭示了病毒蛋白-细胞因子相互作用、趋化因子信号传导等信号通路的显著富集，可能有助于阐明HPV感染及E6、E7病毒相关蛋白在宫颈癌发展中的重要作用。此外，UCEM培养的类器官中多种与宫颈癌发生和进展相关的癌基因表达水平较高，这些基因不仅参与肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移，还涉及免疫细胞的激活和肿瘤相关的免疫调节。 这些发现表明UCEM培养的CSCC类器官在转录组水平上更接近于患者来源的CSCC组织，以及组织特异性微环境可能刺激原发肿瘤组织中癌基因的转录（图6）。

图6

5. UCEM培养的CSCC类器官的化疗耐药性

研究人员采用紫杉醇联合卡铂（TC）这一CSCC常用化疗方案，并以晚期CSCC患者的体外药敏试验结果与临床治疗反应进行比较。结果显示，UCEM和Matrigel培养的CSCC类器官对化疗药物的反应与患者临床反应高度一致，能够有效预测治疗效果并指导化疗药物的筛选。进一步分析显示，UCEM培养的CSCC类器官在模拟宫颈组织特异性微环境方面表现更为准确，能够更精确地识别出对化疗药物具有耐药性的患者。这一现象可能与宫颈组织特定微环境对化疗药物的影响、胶原纤维沉积对肿瘤细胞的保护作用增强以及肿瘤相关的恶性生物学行为有关。因此，UCEM培养的CSCC类器官不仅具有临床筛选抗肿瘤药物的潜力，而且为研究组织特异性微环境在肿瘤耐药发展中的作用提供了有价值的工具。此外，针对组织特异性微环境的联合治疗方法可能为患者提供更有效的治疗选择（图7）。

图7

6.异种类器官移植在UCEM中保存CSCC组织特征的研究

研究人员将来自同一患者的UCEM和Matrigel培养的CSCC类器官植入裸鼠皮下，发现UCEM组和Matrigel组在肿瘤形成率、体积和质量上均无统计学差异，且两组类器官形成的皮下肿瘤组织在病理学和分子表达上与CSCC组织相似。此外，UCEM培养的CSCC类器官在体内表现出更高的肿瘤细胞分散和增殖能力，这可能与子宫颈组织特异性微环境中肿瘤细胞的迁移和增殖行为相关。尽管UCEM是一种人类来源的ECM材料，但它并未降低免疫缺陷小鼠中CSCC类器官的致瘤性（图8）

图8

小结

本研究通过优化宫颈鳞状细胞癌类器官的肿瘤异质性，探讨了宫颈细胞外基质水凝胶在这一过程中的作用。研究发现，利用宫颈细胞外基质水凝胶可以更好地模拟组织特异性微环境，促进宫颈鳞状细胞癌器官的生长和发育，从而提供了更准确的肿瘤异质性表现。这项研究为深入了解宫颈鳞状细胞癌的发展和治疗提供了重要的启示，为未来的癌症研究和治疗提供了新的思路和可能性。

参考文献

Song H, Jiang H, Hu W, Hai Y, Cai Y, Li H, Liao Y, Huang Y, Lv X, Zhang Y, Zhang J, Huang Y, Liang X, Huang H, Lin X, Wang Y, Yi X. Cervical extracellular matrix hydrogel optimizes tumor heterogeneity of cervical squamous cell carcinoma organoids. Sci Adv. 2024 May 17;10(20):eadl3511. doi: 10.1126/sciadv.adl3511. Epub 2024 May 15. PMID: 38748808; PMCID: PMC11095500.

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本文来源：盛合瑞生物、类器官学社