EIK-1005

在本专栏第一期我们聊到，肿瘤类器官正在成为生物医药研发的重要“基础设施”。而Wellcome Sanger研究所发表于 Nature 的这项里程碑研究，真正把类器官推向功能基因组研究的新高度。团队构建256 株具备完整临床注释的人源肿瘤类器官生物库，完成 162 株类器官的全基因组 CRISPR筛选，搭建出三维肿瘤模型的基因依赖图谱。 本文将带大家读懂这项重磅工作：它如何补齐传统二维细胞模型的短板，揭示 KRAS 不同突变亚型的用药差异，同时利用配对患者样本，直观看见治疗压力下肿瘤耐药的演化过程。 🔍DepMap很强大，但依然有无法绕过的短板 过去十几年，基于二维永生化癌细胞系的癌症依赖图谱 DepMap，依靠大规模 CRISPR 敲除筛选，系统解析肿瘤生存必需基因，为靶点挖掘、新药研发提供了海量参考数据。 但随着研究不断深入，二维细胞模型的先天局限性日益凸显： 👉肿瘤亚型覆盖不均衡：部分临床高发肿瘤亚型缺少对应的细胞系资源； 👉外驯化带来分子漂移：细胞系经过长期传代，会积累体外适应性突变，逐步丢失原始患者肿瘤的分子特征； 👉胚系对照缺失：绝大多数细胞系没有配套患者正常胚系基因组，很难精准区分体细胞突变和生殖系变异； 👉临床信息割裂：缺少完整的患者临床背景，难以将基因依赖特征和肿瘤分期、用药史、预后等临床表型建立关联。 PDX人源肿瘤异种移植模型虽然保真度更高，但成本高昂、操作门槛高，通量有限，并不适合开展大规模全基因组 CRISPR 筛选。 肿瘤类器官被寄予厚望，不过早期公开的类器官生物库普遍存在样本规模偏小的问题，还存在不少现实瓶颈：基因组分子注释不够完善、部分模型无法长期冻存传代、样本共享受伦理约束。最关键的一点：大规模三维类器官样本库，能否稳定实现高质量全基因组 CRISPR 筛选。 针对上述痛点，桑格研究所联合 HCMI 人类癌症模型计划，聚焦结直肠、食管腺癌、卵巢癌、胰腺癌、胃癌五大临床需求迫切的癌种，启动这项大型研究，试图回答两个核心科学问题：  ① 是否可以构建一套大规模、可冻存、配套完整临床与多组学数据的肿瘤类器官生物库？  ② 相较于传统二维细胞系，三维类器官 CRISPR 筛选，能否挖掘出新的肿瘤脆弱性与潜在治疗靶点？ 🧫 构建 256 株具备完整临床注释的肿瘤类器官生物库 研究联合英国 5 家临床合作中心，一共收集来自 878 位患者的 907 份肿瘤样本，统一在 Wellcome Sanger 研究所单中心完成标准化类器官构建，减少多中心操作带来的实验偏差。 ✅ 最终成功建立256 株肿瘤类器官，整体建库成功率 28%。 研究设置严格的建库质控标准：类器官需要扩增至 2500 万以上细胞，冻存 25 支冻存管；完成冻融复苏质控，通过 SNP 分型确认细胞来源于原始患者肿瘤组织。其中93% 的模型顺利通过冻‑复苏测试，证明这批模型可以稳定冻存、复苏，适合作为可共享的科研资源。 建库失败的主要原因：短期培养无法持续传代、原始样本肿瘤细胞占比过低、微生物污染。有意思的是，新鲜组织和冻存组织的建库成功率接近，这对临床肿瘤样本的采集、储运具有很强的实际参考价值。 这个生物库并非单纯的样本集合，配套多维度的组学与临床数据： ✅全部 256 株类器官完成WGS 全基因组测序；171 份样本拥有配对的原始患者肿瘤组织测序数据，同时匹配患者血液正常样本作为胚系对照，精准解析体细胞变异； ✅255 株完成 RNA‑seq 转录组测序，系统解析拷贝数变异、结构变异、突变特征、全基因组加倍、染色体碎裂等基因组事件； ✅收录完整临床元数据：肿瘤分期、原发灶/转移灶、既往治疗史、年龄、吸烟史等信息； ✅库内包含13 对来源于同一患者的配对类器官，涵盖治疗前‑复发后、原发‑转移病灶，为解析肿瘤克隆演化、获得性耐药机制，提供独一无二的研究材料。 团队同时完成稳定性验证：类器官经过长期传代、多次冻融循环后，基因组、转录组整体保持稳定，仅发生有限的遗传漂移，证明类器官可以支持反复开展多项功能学实验。 ⚡ 技术突破：在三维类器官上实现高质量全基因组CRISPR 筛选 在三维肿瘤类器官中开展全基因组 CRISPR 敲除筛选，技术难度远高于二维细胞系。类器官是致密三维团块，对细胞需求量巨大，病毒转导效率很难把控，实现高通量筛选面临重重阻碍。 本研究实现两项关键技术改进： ① 采用5% BME‑2 悬浮培养体系，摒弃传统高浓度基质胶滴培养，大幅提升细胞扩增产量，适配大规模高通量筛选； ② 选用MinLibCas9 精简 sgRNA 文库，每个基因仅保留 2 条经过验证的最优 sgRNA，降低实验所需细胞总量；部分样本同步使用 Yusa v1.1 完整文库作为对照，交叉验证结果可靠性。 筛选成功率 85%。每株类器官可以识别出中位数 1440 个生存必需基因。 筛选核心质控指标： ⚡AUROC（ROC 曲线下面积）：中位数 0.97，代表区分必需 / 非必需基因的综合分辨能力，满分 1； ⚡AUPR（PR 曲线下面积）：中位数 0.973，是 CRISPR 筛选更关键的质控指标，重点评估阳性真实必需基因的识别性能，满分 1。 两项质控结果证明：这套三维类器官 CRISPR 筛选的数据质量，已经可以对标传统二维细胞系 DepMap 筛选水平。 研究借助 BAGEL2、ADaM 等专业算法，区分泛核心必需基因与类器官特异性必需基因，将 CRISPR 筛选结果与基因组、转录组、临床特征做关联分析；同时选取部分模型开展小分子药敏实验，实现基因依赖性与药物药效结果的互相印证。 💡四大核心科学发现✨ 发现类器官特异性的肿瘤必需基因 研究一共鉴定得到 751 个类器官核心生存基因。其中 654 个基因与二维细胞系 DepMap 得到的核心必需基因重合；还有97 个是类器官特异性核心 fitness 基因。这类特异性基因显著富集于类固醇、胆固醇生物合成通路，典型代表为IDI1（异戊二烯基二磷酸 δ 异构酶 1），是合成类异戊二烯所必需的，并参与胆固醇合成代谢。 重要启示：二维细胞体外培养环境会掩盖部分肿瘤的代谢弱点；只有在类器官的三维生理环境下，这类基因的生存依赖会显现，这正是类器官模型独有的科研价值。 ✨ 大规模建立基因‑生物标志物关联，刷新靶点认知 研究分别在胃肠道肿瘤、结直肠癌、食管腺癌中识别出数千个差异依赖性基因，得到 1841 条具备统计学意义的“基因‑生物标志物”关联，部分极具临床启发的结果如下： 📌 WRN 基因：MSI 错配修复缺陷肿瘤普遍对 WRN 存在依赖性，但并非全部 MSI 类器官都依赖 WRN，该现象和 TA 二核苷酸重复扩增状态高度相关。解释了部分 MSI 肿瘤患者使用 WRN 抑制剂疗效不佳的临床现象，提示仅依靠 MSI 分型，不足以预判药物响应； 📌 MDM2：TP53 野生型肿瘤高度依赖MDM2；部分KRAS突变同样会带来 MDM2 依赖性，对应对 Nutlin‑3a（MDM2 抑制剂）药物敏感； 📌  CCNE1：发生CCNE1扩增的食管腺癌，高度依赖CCNE1，为该亚型肿瘤提供潜在治疗靶点。 ✨KRAS 等位突变：不是所有 KRAS 突变都 “生而相同” 这篇文章最亮眼的临床发现，来自对结直肠癌 EGFR‑RAS‑MAPK 信号通路的系统解析。过往临床中，常常笼统将所有 KRAS 突变归为同一类，简单判定 KRAS 突变患者无法从 EGFR 抑制剂中获益。但类器官 CRISPR 结合药敏实验证实：不同 KRAS 等位突变，生物学行为、通路依赖存在显著差异。 🧬KRAS（G12D/G12V/G12C 等）：肿瘤除依赖 KRAS 本身，依旧高度依赖上游 EGFR、PTPN11 信号；对于该亚型，KRAS 抑制剂联合 EGFR 抑制剂可以产生协同杀伤效果； 🧬KRAS （Q61H）：RAS 蛋白发生组成型激活，完全不依赖上游 EGF 信号。无论敲除EGFR、使用 EGFR 抑制剂，或是撤去培养基中的 EGF，肿瘤细胞依旧存活，该亚型很难从 EGFR 联合用药中获益。 临床提示：不能只看 “KRAS 是否突变”，需要细化到具体等位基因型，才能更好指导联合用药和患者分层。 ✨ 配对类器官，直观看见治疗重塑肿瘤靶点图谱 库内治疗前‑复发后的配对类器官，为解析肿瘤治疗后的克隆演化提供了绝佳工具。文中展示一例食管腺癌患者配对样本： 化疗前肿瘤存在MYC扩增，肿瘤对 MYC 高度依赖；经过化疗复发后，肿瘤克隆丢失MYC扩增，MYC 的基因依赖性随之消失。 核心结论：同一个患者，经过药物治疗压力筛选后，肿瘤的基因依赖图谱会发生巨大改写。复发阶段，不能直接沿用初治的治疗靶点；借助类器官结合 CRISPR 筛选，有机会从患者样本中挖掘复发肿瘤全新的可干预弱点。 患者来源类器官不仅能"冻结"肿瘤的遗传状态，还能被用来追踪从治疗响应到转移播散的整个演化历程。 ⚠️   这项里程碑工作，依然存在不可忽视的局限 🔬 微环境缺失：本研究使用的是纯肿瘤上皮类器官，缺少免疫细胞、成纤维细胞、血管等肿瘤微环境组分，无法用于免疫治疗相关机制研究；未来的生物库需要补充组织学、单细胞、空间转录组，以及配套基质、免疫共培养模型； 🔬 样本人群与病灶偏倚：样本大多来源于可手术切除的肿瘤，晚期不可手术病灶占比有限；入组患者以英国白人人群为主，人群多样性不足； 🔬 通量不及二维体系：尽管筛选质量对标细胞系，但三维类器官操作流程复杂，整体通量仍然低于传统二维细胞系； 🔬 部分癌种样本量不足：胃癌仅 6 株类器官，样本规模不足以开展深度解析；体外培养过程中会发生克隆选择，会一定程度丢失原始肿瘤内部异质性。 📈   研究价值与行业启示 这项成果标志着：癌症基因依赖图谱正式迈入类器官时代。 ①  二维细胞系的筛选存在固有盲区，三维人源肿瘤类器官能够发现那些在二维环境被掩盖掉的肿瘤脆弱性，例如胆固醇‑类固醇代谢相关的合成致死靶点。 ②  驱动突变不能只看“有无”，更要看具体等位基因型。以KRAS为代表，不同突变位点带来完全不一样的通路依赖，对联合用药方案产生决定性影响，对未来临床试验患者分层有重要提示意义。 ③  抗肿瘤治疗会重塑肿瘤的基因依赖性。初治有效的靶点，到复发之后可能完全失效；配对患者来源类器官结合CRISPR筛选，为解析获得性耐药、挖掘复发后新靶点提供全新路径。 ④  该研究证明“大规模临床注释类器官生物库 + 全基因组CRISPR筛选”整套技术路线可行。所有多组学、CRISPR筛选数据全部公开于Cell Model Passport和Dep Map Miner数据库，部分类器官通过ATCC对外分发，供全球学术与工业界使用。 📝   结语 从二维细胞系 DepMap，发展到三维肿瘤类器官基因依赖图谱，并不是简单的模型替换，而是向着更贴近真实患者肿瘤生理状态迈出的关键一步。 当然肿瘤类器官远非完美模型，缺少免疫、基质微环境仍是目前最大短板，这也是我们专栏《芯片上的 "迷你人体"，能模拟免疫和药物代谢》中讨论过的话题。未来，如果能够把免疫、基质组分整合进类器官体系，再叠加 CRISPR 功能筛选，将进一步缩小体外模型与真实患者肿瘤之间的差距，持续赋能靶点发现与新药研发。 — · — · — · — · — · — 📄参考文献 [1] Herranz‑Ors C, et al. A tumour‑derived organoid biobank maps cancer gene dependencies.  Nature, 2026. doi:10.1038/s41586‑026‑10830‑y [2] Pacini C, et al. A comprehensive clinically informed map of dependencies in cancer cells  and framework for target prioritization. Cancer Cell, 2024. [3] Gonçalves E, et al. Minimal genome‑wide human CRISPR‑Cas9 library. Genome Biology, 2021. [4] Kim E, Hart T. Improved analysis of CRISPR fitness screens and reduced off‑target effects  with the BAGEL2 gene essentiality classifier. Genome Medicine, 2021. 🔗开源数据库 数据集通过 Cell Model Passports(https://cellmodelpassports.sanger.ac.uk/) 和 Dep Map Miner ( https://dataminer.depmap.sanger.ac.uk/ ) 网站提供。 📢下期预告 带你拆解搭建肿瘤类器官 CRISPR 全基因组筛选体系 📌免责声明本文仅供生物技术领域学习与交流参考，不构成任何临床诊疗建议、投资建议或产品推广。文中引用的研究数据、技术观点均来源于公开资料或作者个人理解，不代表任何机构立场，感谢指正。部分图片和内容由AI 生成。 🔬关注「生物技术研习社」 聚焦肿瘤精准治疗与前沿生物技术，持续分享最新研究进展、深度解读、行业动态与实用干货。