新加坡国立大学 A 入口的校名标识、道路与绿化
新加坡国立大学 A 入口,2024 年(ZKang123 / Wikimedia Commons;CC BY-SA 4.0)

模型需要保留与研究用途相关的功能

2022 年 12 月 1 日,Nature Reviews Methods Primers 发表 Organoids。新加坡国立大学(National University of Singapore)及中国、德国、美国多家机构的作者在这篇方法总览中,讨论类器官的构建、验证与研究用途。对于药物研究,文章同时关注模型呈现了哪些组织特征,以及这些特征能否稳定地用于比较。

模型鉴定包括细胞组成、空间排列和功能。RNA 与蛋白检测可帮助识别细胞类型,组织染色和成像则用于观察它们如何排列。作者进一步提出,应将类器官与新鲜分离的组织比较,检查它们是否保留所需功能,例如胃组织相关的酸分泌、肠道相关的黏液分泌,或对外界刺激的反应。单独检出标志物,尚不能说明这些功能已经具备。

肿瘤类器官要与原始肿瘤对照

患者来源肿瘤类器官的评价,需要对应到建立模型的那份肿瘤组织。文章建议从组织形态、蛋白表达、转录组和基因组等方面进行比较。肿瘤不同部位原本就可能存在差异,只取其中一处建立模型,未必能够代表其他区域的细胞群。

培养还可能改变不同克隆的相对比例。作者列举的研究既有长期保留原肿瘤特征的结果,也有连续传代后出现分子变化的情况,因此把培养时长和传代后的再次核对列为重要事项。正常细胞混入也需要通过组织形态、免疫染色或测序辨别。这些信息直接关系到药敏结果究竟来自哪一类细胞。

区分供者差异与培养过程带来的差异

类器官的差异可出现在同一结构内部、同一培养皿中的不同类器官之间,以及不同供者之间。患者间的生物学差异,正是个体化药物研究希望保留的信息;培养条件造成的额外变动,则可能妨碍比较。两者需要分别描述。

文章把起始细胞来源与质量、培养液组成、细胞外基质批次,以及培养阶段列为主要变异来源。同一模型的基因表达也会随发育和传代而改变。作者因此强调记录传代次数和培养时间;将多个类器官或细胞合并检测时,还应说明混合了哪些材料,避免平均信号掩盖组成差别。

独立重复与每批类器官数量分别报告

文章所说的生物学重复,指从不同患者或动物独立分离得到的材料;同一份材料产生的多个类器官,是另一层需要报告的数量。分析时既要观察不同生物学来源之间的变化,也要考虑每个来源内部类器官的分布。

作者讨论了至少 3 次独立实验、至少 3 个生物学重复的安排,同时指出这样的数量未必足够。所需供者数和每个供者的类器官数,仍取决于研究问题、表型变异和统计效能。研究问题与重复安排应预先确定,避免随着结果不断增加重复,直到得到统计学显著差异。

呈现批间变化,也保留单个类器官的分布

文章推荐用 SuperPlots 等方式同时显示每个独立生物学重复的均值,以及其中单个观测值的分布。读者由此可以看到,各来源或批次是否给出相近的变化方向,还是整体均值主要受到其中一批数据影响。仅将所有观测值合在一起,容易丢失这层信息。

功能数据还需要与模型规模相对应。作者讨论按细胞总数或结构面积等指标进行归一化,并以原始组织作为功能参照。分泌量或其他总体信号的变化,由此可以结合细胞数量和组织特征解释。

药物问题决定模型需要多复杂

药物筛选部分介绍了类器官用于候选药物比较和联合用药研究的方式,也提到利用相邻正常组织建立对照类器官,以比较肿瘤和正常组织的反应。对于免疫相关药物,是否包含相应免疫细胞,则影响模型能够回答的问题。

增加细胞种类和组织间相互作用,也会增加协调生长、分化与功能的难度。作者指出,在高通量筛选中,围绕关键组织结构和功能建立较简单、可重复的体系,同样有价值。功能与用途是否匹配、变异来源是否清楚、结果是否可重复,都是选择药研模型的重要依据。

来源与延伸阅读

  1. Organoids. Nature Reviews Methods Primers. 2022. doi:10.1038/s43586-022-00174-y ↗