精准医疗专文(下):肿瘤细胞库新解 化 2D 为 3D

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试想在圆形培养皿底部的薄薄一层玉米细胞,与您印象中的整根黄澄澄玉米是不是有落差?我们不难想像培养皿中的玉米细胞在生长、摄取营养、以及彼此之间的互动,可能与真正长在土中的整株玉米完全不同。同理来说,实验室培养的一盘盘癌细胞真的能反映肿瘤细胞的生活情形吗?相信薄层癌细胞和整团肿瘤的生理表现有所不同,生长模式或药物实验结果也难免会有差异。为了更能让实验室的肿瘤试验贴近癌细胞在身体实际生长的情形,科学家已经导入一项突破性的新技术 ― 3D 细胞培养。目前立体化培养主要仰赖三种途径:营造立体生活空间、寄生于现成活体环境、以及打造类器官环境。

营造立体生活空间

农业上会利用棚架让匍匐地面生长的植物爬升,而实验室也正开始利用各种新技术让细胞的生长更贴近原来的立体结构,像是模拟细胞外环境的立体培养基、不断会改变重力方向的旋转式生物反应槽、吊挂式培养皿、或是磁力悬浮培养等等。不过这方面的技术仍无法突破最主要的盲点:即使细胞已可在立体空间生长,但在生物体内几乎没有组织或器官只由单一细胞构成,一定会有许多种细胞交杂共同生长并进行互动。到底来说,营造立体生活空间只是把单一种类的细胞培养从薄薄一层变成立体一团,实验过程依然无法完全模拟真实情形。

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寄生于现成活体环境

于是科学家评估如下:与其模拟再怎么样也不能完全复制的体内生长环境,何不直接把待观察的癌细胞植入动物体内,并以此作为研究平台?于是研究人员发展出“患者来源肿瘤异种移植”(Patient derived tumor xenografts) 的方法,将来自人类癌症患者的肿瘤切片或手术切除样本直接植入老鼠体内。其中植入位置又分两种:一是与原肿瘤位置没有关系的皮下或肾囊下空间;第二种方式则是植入对应到原肿瘤生长的位置,例如大肠肿瘤就植入大肠附近。这两种方法在成功率或还原程度各有其优缺点,通常会视实验需求选择适当方法。相较于传统的体外细胞培养,老鼠体内移植更接近肿瘤原生环境,而且这种方法一次植入整块肿瘤组织而非零星细胞,有助于复制肿瘤本身的微环境 (microenvironment,指肿瘤区域经由肿瘤细胞与其他肿瘤或正常细胞之间的交互作用所营造出适合肿瘤生长和扩散的特殊环境),更能缩小实验与现实的差距。

位于美国加州圣地牙哥之癌症药物研发公司 Molecular Response,即针对其超过 144,000 件的活体肿瘤样本提供现成或客制化肿瘤异体移植老鼠进行药物前期开发实验。如此一来,药厂便可将各种新药同时试用于成千上万不同种类的癌细胞,并借此筛选哪些药物未来较具潜力,或是扩大已上市药物的适应症范围。另外,配合日渐成熟的基因筛检技术,Molecular Response 更利用本身庞大的肿瘤数据库开发出 BRAF V600 基因突变测试;而如果若皮肤癌患者在测试后呈现阳性,就表示有很大的机会可透过 BRAF 抑制剂 vemurafenib 控制癌症进展,进而实现精准医疗!

打造类器官环境

2008 年,日本干细胞生物学家笹井芳树与其团队便致力诱使干细胞发育为具有分层结构的神经细胞球,企图不只是培养一团细胞,而是让这些细胞分化出具有不同功能的阶层构造,进而形成组织。目前已有脑、肝、肾组织在体外发育为类似器官结构的报导,此即“类器官”培养技术。2015 年 5 月位于英国剑桥的 Sanger Institute 在 Cell 期刊发表的一篇研究,便以此技术将 20 位大肠癌患者的肿瘤细胞在体外进行类器官培养。研究团队发现这种培养方式可让癌细胞在基因表现、细胞变异程度、或是立体结构都能更像在体内的状态,故研究成果可比传统细胞培养更具代表意义。

这支研究团队更将一部分样本保留建立“类器官化”肿瘤细胞数据库,这种新兴数据库与传统癌细胞系 (cell line) 数据库最大的差异即在于:类器官化肿瘤细胞可形成组织般的分层结构。在不久的未来,癌症病人就诊后即可进行肿瘤切片和体外类器官化培养,然后进行各种基因筛检与药物适性测试,找出其肿瘤的弱点以及药效最佳的药物。

订制个人化疗程

上述的 3D 细胞培养技术与新兴肿瘤细胞库都有助于进一步拉近实验室与临床应用的距离,也能促进癌症新药的开发和验证。如果能结合大数据技术和样本数据库进行更细致的分类实验,就有机会找出各种抗癌药物最适合的族群;而临床上则可透过基因检测找出病人属于何种族群,再投以最适合的药物。如此一来,精准医疗的概念就能在癌症实现,有机会大幅改善现在的治疗效率和患者存活率。相同的技术也将能推广到其他学科和疾病,让我们拭目以待!

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参考文献:
1. 认识 3D 细胞培养:
Ravi M et al. J Cell Physiol 2015; 230:16-26.
2. 了解患者来源肿瘤异种移植技术:
Siolas D & Hannon GJ. Cancer Res 2013; 73:5315-19.
3. 探讨类器官技术将如何颠覆癌症治疗:
http://www.eurostemcell.org/story/organoids-personalized-cancer-treatment