虽然放射疗法（也称为放疗）是癌症治疗的一个重要手段，但它也有局限性，包括可能会损害健康组织，并可能增加发生转移的风险。目前对于提高放疗效果的需求仍未满足。
在本篇博文中，我们探讨了使用具有临床预测性的
患者源肿瘤类器官（PDO）来发现现有标准治疗（SoC）药物或新型化合物的放射增敏作用的价值。
放疗在癌症治疗中的优势和挑战
一个多世纪以来，放疗已成为一种备受重视的癌症治疗方案，50% 以上的癌症患者都接受过某种形式的放疗。从机制上来看，其作用原理是将一束高能光子输送至肿瘤部位，造成直接和间接的细胞损伤，包括单链DNA断裂（SSB）、双链DNA断裂（DSB）、碱基替换、蛋白交联和大分子交联。
放疗的直接作用会造成广泛的DNA损伤，包括高细胞毒性DSB，如果不加以修复，会导致细胞死亡或永久性生长停滞。相反，放疗的间接作用主要是由于产生了高水平活性氧（ROS），从而进一步导致细胞损伤及随后的细胞死亡或生长停滞。总体来讲，许多因素已证明会影响肿瘤对放疗的反应，包括：
- 癌细胞遗传学/表观遗传学
- 肿瘤微环境（TME）
- 癌细胞代谢。
虽然放疗在治疗癌症方面具有明确益处，但也面临一些与使用该疗法有关的已知挑战。如前所述，放疗可对健康组织造成实质性损害，同时还被证明可使肿瘤细胞移动到循环系统中（尤其是治疗后未能杀死大多数存在的癌细胞的情况下），可能导致更高的转移风险。另一个问题是辐射抗性；当放疗导致大量基因组损伤，而癌细胞仍能生存和增殖时会出现这种情况。
虽然辐射抗性的具体机制仍在研究中，但其被认为与改变关键基因表达有关，如涉及DNA损伤应答（DDR）通路、染色质重塑、细胞代谢和肿瘤微环境内变化的基因改变。
放射增敏剂的价值
改进放射疗法的尝试大多集中在加强高能光子向肿瘤细胞的输送（例如，提高输送的精确性和准确性）和使用被称为放射增敏剂的化合物，其定义为“任何使肿瘤细胞更容易被放疗杀死的物质”。
许多SoC抗癌药物属于放射增敏剂，包括吉西他滨、干扰素-α、ErbB抑制剂、多柔比星、多西他赛、顺铂、甲氨蝶呤、5-FU和博来霉素等。
在较高的水平上，放射增敏剂根据其结构特征可分为三类–小分子、大分子和纳米材料。尽管每种类型的放射增敏剂都有其自身的优势和不足，但其一般机制可分为以下几类：
- 造成额外的直接DNA损伤（超过单纯放疗导致的损伤）
- 抑制DNA修复机制
- 增强细胞功能，改善细胞毒性
- 改变辐射抗性和/或辐射敏感基因的表达。
放射增敏剂的疗效在很大程度上取决于药物的类型和剂量、辐射剂量以及放疗和放射增敏剂给药之间的时间间隔。尽管SoC药物具有放射增敏特性，而且在开发新型放射增敏剂方面也取得了进展，但目前仍需要发现更有效的放射增敏剂。
美国国家癌症研究所（NCI）的放射研究计划已将 “新型放射增敏剂的战略发展”确定为临床上未满足的需求，这是多年来该研究计划的一个焦点。
PDO用于开发放射增敏剂的前景
如前所述，3D体外类器官是由成体干细胞（ASCs）生长的微观自组织结构，反映了原始来源的关键结构和功能特性。
目前已经确立优化的 Hubrecht Organoid Technology（HUB）方案，可以使用正常组织和包括肿瘤组织在内的病变组织开发模型。此外，3D 体外类器官模型既可以直接从患者组织生成（即 PDO），也可以从患者源异种移植（PDXs，即患者组织移植至小鼠模型进行扩增）或患者源异种移植类器官（PDXOs）生成，它们是使用患者原代细胞的替代方法。
此类 3D 体外肿瘤模型真实反映了患者原始肿瘤的基因组、形态和病理生理学特征，比体内模型更容易扩展。这意味着这些模型适用于高通量筛选（HTS）方法，而且即使在经过长期培养和冻存后，它们也能保证基因和表型的稳定。
PDO 是发现对包括 SoC 抗癌疗法在内的单纯放疗和与潜在放射增敏剂联用的增敏作用的重要模型。例如，一项研究向10个PDO模型给予一系列放射疗法联用或不联用毒性剂量的顺铂或西妥昔单抗。与单药治疗相比，化疗和放疗联合疗法可增加细胞死亡率，联合使用顺铂时，10个试验品系中的6个品系对放疗的敏感性增加，联合使用西妥昔单抗时，10个试验中的4个品系对放疗的敏感性增加。
此外，将类器官的放射敏感性与患者的临床反应进行了比较。7例患者中的6例显示，类器官对辐射的反应与患者的临床结局相似。
总体上，越来越多的专家认为PDO是用于快速开发深入数据的高水平临床预测模型。这些数据可以帮助开发新的放疗方法，为患者带来更好的癌症治疗方案和效果。
新型 PDO 放射增敏剂筛选平台
如前所述，3D 肿瘤类器官适用于HTS方法，可以帮助发现现有药物或新化合物的放射增敏作用。
使用一个具有灵活性、稳定性和可重复性的经验证平台，能够可靠地证明不同 PDO 模型之间放射敏感性的明显差异。实验工作流程示例见图1。在类器官增殖、收获和铺板后，在使用或不使用不同水平的放射的情况下，用所需的化合物进行处理。
然后使用标准生化活力测定法获得读数，这些测定法包括 CellTiter-Glo（CTG）或高内涵成像（HCI）等，可在 3D 类器官中获得各种读数，包括肿瘤细胞的杀伤力、靶标表达、抗体结合以及许多形态学参数。HCI 甚至可以分辨诱导细胞周期停滞、细胞凋亡和坏死的化合物。
图1: 使用 PDO 识别放射增敏剂的实验性HTS工作流程示例。
以下是一项研究12个 PDO 模型对放射敏感性的实验研究的结果。PDO 暴露于0至 10Gy 的放射水平下。与预期一致，在 0 Gy 水平下所有模型的活力为 100%。但当模型暴露于不同的放射水平时，观察到了一个细胞活力光谱。例如，在最高放射水平下，活力大约为 15% 到 100% 不等。
总体来看，图2中左侧描述的是敏感性最高的模型（即OV5296B），最右侧是敏感性最低的模型（即OV5294B）。这种不同的反应情况与现实世界的患者群体中观察到的放射疗法反应多样性相一致。
图2: 12个 PDO 模型暴露于不同放射水平下的活力分析。
结论
虽然放疗是癌症治疗中的一个重要工具，但其安全性和有效性仍有待提高。PDO具有临床预测性，适用于 HTS 检测，可作为发现现有 SoC 药物或新型化合物的新型放射增敏剂的有价值模型。
该
可搜索器官生物库数据库包含患者源异种移植类器官（PDXO）模型和患者源类器官（PDO）模型信息，为您提供按肿瘤类器官模型整理的突变和基因表达谱，简化您的模型选择。
