鼻咽癌是一种常见的头颈部恶性肿瘤，治疗方案一直是医学界关注的焦点。最新研究显示，利用患者源性鼻咽癌类器官模型进行疾病建模和辐射剂量优化，为个性化治疗提供了新的可能性。让我们一起深入了解这一创新研究，探讨如何通过类器官模型为鼻咽癌患者带来更有效的治疗方案！
鼻咽癌在东亚及东南亚地区广泛流行，放疗长期以来一直是早期鼻咽癌的首选治疗手段。然而，复发性鼻咽癌的有效放疗仍构成一项重大的临床挑战。由于此前缺乏针对鼻咽癌的特异性体外模型和基于患者来源的异种移植模型，个性化治疗方案的研发进程受到了显著阻碍。
本研究致力于构建鼻咽癌类器官模型，旨在模拟复发性鼻咽癌中放射抵抗的低氧亚体积，从而为放疗的个性化规划提供坚实的实验基础。
从PDX建立类器官，成功率达100%。研究发现，缺氧性NPC需要大剂量或等于分数剂量的1.4倍有效对抗正氧细胞的剂量，以弥补氧气短缺。
1. NPC PDX的建立与表征
本研究将18例鼻咽癌患者（其中10例为新诊断，8例为复发）的样本植入NSG小鼠体内，主要植入位置为侧腹皮下或肾下。只有5例（占27.8%）样本成功进行了第一次传代（P1），其余两个PDX系（296T和250T）在传代过程中显示出不同的繁殖能力。296T在P6后每2个月繁殖一次，而250T的平均繁殖时间约为4个月。在尝试维持这些细胞系的过程中，通过在P3P5时恢复缓慢冷冻的样品并在侧腹皮下植入，研究者成功获得了约60%的稳定PDX生长。
2. 从PDX中建立鼻咽癌类器官并表征
研究人员将类器官在多种培养基中培养，以微调最佳生长和活力，P-ALI培养基配合优化NF能支持其活力长达45天。类器官可以从自组装形成球体的单细胞部分中培养，随后可以包被Geltrex或植入动物体内形成异种移植肿瘤，这些肿瘤的组织病理特征和EBV表达与相应的PDX相似。通过组织学和RNA原位杂交技术，证实了患者肿瘤、PDX和类器官中存在非典型细胞和EBV病毒。QPCR分析进一步确认了类器官表达潜伏的EBV基因，并展示了鳞状细胞癌的组织学特征。类器官表达多功能干细胞标记物和CD44，但不表达其他癌症干细胞标记物。此外，即时早期和晚期裂解基因的qPCR分析显示BZLF-1基因在PDX和类器官生长早期的显著表达（图1）。
图1
3. PDX和类器官的转录组保真度
PDX和类器官的RNA-seq分析显示高比例的测序读数能准确映射至人类基因组。通过GSEA分析，发现与中期和晚期相比，PDX早期传代中的趋化因子和炎症途径表达显著增强。PCA分析显示不同活检和PDX/类器官衍生物存在肿瘤间差异，尤其是患者肿瘤分散性较高，而同一患者组内的模型聚类紧密但彼此差异明显。进一步的g:Profiler分析表明，PC2上的基因差异主要体现在细胞外空间、角化和上皮细胞分化。与活检组织相比，PDX/类器官衍生物在基因表达上呈现代谢、细胞外基质组织和上皮-间质转化的下调，而与核糖体蛋白、MYC靶点和氧化磷酸化相关的基因则显著上调（图2）。
图2
4. 耐缺氧辐射鼻咽癌类器官的建立
在1%缺氧培养箱中培养的类器官在培养第4天即显示出明显的缺氧区域。与常氧类器官相比，低氧类器官在受到12 Gy剂量连续3天的辐射后，显示出辐射抗性，细胞活力并未显著降低。抗ki-67染色结果显示，低氧类器官外周区的细胞增殖活性是常氧类器官的约2倍。QPCR分析表明，缺氧诱导因子-1a（HIF-1a）在未辐照和辐照后的缺氧类器官中表达量均显著上升。此外，低氧类器官在辐射后表现出g-H2AX的显著磷酸化，这通常与DNA双链断裂相关（图3）。
图3
5. 类器官模型作为建立鼻咽癌放射生物学参数的平台
常氧和低氧条件下的鼻咽癌类器官在放射生物学特性和治疗效果上存在显著差异。虽然re-RT能有效控制常氧区域的增殖，但耐辐射的缺氧区域可能需要更高的RT剂量。通过一次照射不同剂量的实验，研究人员观察到低氧鼻咽癌类器官的放射生物学参数a/b比值高于常氧条件。此外，缺氧细胞达到与常氧细胞相似生物效应所需的RT剂量增加（OER）在类器官中约为1.4。低氧条件下的C666-1球体由于尺寸较大且不均匀，具有更高的OER，这可能与缺氧核心的增大有关（图4A-C）。
6. 低氧类器官对高分割RT不太敏感
通过对比无分离RT和有分离RT的效果，研究发现单次大剂量RT相较于低氧类器官中的较小分离剂量，能显著降低细胞活力。OER校正进一步提高了分离剂量的细胞杀伤效率，使得低氧类器官中的细胞死亡数量与常氧类器官相当。这表明缺氧细胞对辐射的抵抗力较强，需要更高剂量的辐射，大约是常氧细胞所需有效分次剂量的1.4倍（图4D-F）。
图4
7. 低分割RT导致体内肿瘤生长延迟
PRKDC基因突变的NSG小鼠对RT高度敏感，全身最大耐受剂量为4 Gy。通过靶向照射肿瘤部位，剂量可提升至每周8 Gy。研究发现，即使是小体积的PDX肿瘤也存在显著缺氧区域。体内治疗表明，两次8 Gy剂量的RT能有效控制肿瘤生长，且生存率为100%，但结合CT并未进一步改善肿瘤控制且生存率下降。相比之下，CT与分割RT（2 Gy × 8）结合虽然显示肿瘤生长控制，但存在严重毒性和生存无获益。在增殖分析上，8 Gy × 2剂量下增殖的肿瘤细胞数量显著少于2 Gy × 8剂量，显示出高剂量RT对肿瘤生长的抑制效果（图5）。
图5
8. 单一与联合治疗方式
标准生物有效剂量(BED)模型指出，按n个组分给予组织的每组分(f)剂量(d)的生物效应由以下公式给出:BED =nd【1+d/（α+β）】其中BED以Gya/b表示。标准放射剂量方案规定的总给药剂量为60gy，剂量为2gy / f，导致总BED为72gy10。通常，高分级放疗和低分级放疗的规定剂量分别为1.8 Gy和4 Gy。考虑到实验确定的OER值为1.4，研究人员建议高分割放疗为2.52 Gy/f，低分割放疗为5.6 Gy/f。表3总结了不同的放疗方案，并根据其对应的BEDa/b接近72 Gy/ 10的标准剂量方案，计算出每种方案的折算数
本文介绍了利用患者源性鼻咽癌类器官模型进行疾病建模和辐射剂量优化的研究。研究团队成功建立了两种来自复发性鼻咽癌患者的类器官，并通过RNA测序分析对这些模型进行了进一步的表征和比较。研究结果表明，这种类器官模型有助于更好地理解鼻咽癌的特性，为个性化治疗提供了新的可能性。通过这些模型，研究人员可以更好地优化放射治疗方案，尤其对于复发性鼻咽癌患者的再次放疗具有重要意义。
参考文献
Lucky SS, Law M, Lui MH, Mong J, Shi J, Yu S, Yoon DK, Djeng SK, Wang J, Lim CM, Tan MH. Patient-Derived Nasopharyngeal Cancer Organoids for Disease Modeling and Radiation Dose Optimization. Front Oncol. 2021 Feb 23;11:622244. doi: 10.3389/fonc.2021.622244. PMID: 33732646; PMCID: PMC7959730.
联系客服
