综述：从3D培养到临床决策：乳腺癌类器官领域的系统性创新

《Biomedical Engineering Advances》：From 3D culture to clinical decision-making: Systematic innovations in breast cancer organoids

　　乳腺癌类器官作为新型三维模型，通过保留患者肿瘤的遗传异质性和微环境特征，有效克服传统二维细胞培养和PDX模型的局限性，为精准医学研究提供重要工具。

　　

胡明宇|周晨昕|李梅|赵继元

中国浙江省宁波市宁波大学医学院细胞生物学与再生医学系

摘要

乳腺癌是一种具有高度异质性的恶性肿瘤。传统的研究模型主要依赖于二维细胞培养和患者来源的肿瘤异种移植（PDXs）。然而，由于这些模型在模拟肿瘤微环境和保持遗传背景方面的局限性，它们在临床试验中的应用受到限制。近年来，类器官作为一种能够在体外自组织形成三维结构的新兴模型，已成为克服这些困境的关键工具，并为乳腺癌研究提供了有前景的替代方案。本综述整合了器官芯片（organ-on-a-chip）和CRISPR/Cas9基因编辑等尖端技术，总结了乳腺癌类器官的多维生成策略，并讨论了从诊断到治疗的临床应用价值。与现有研究相比，本综述为乳腺癌研究提供了从“模型生成”到“精准医疗”的系统解决方案，希望能为类器官的进一步发展铺平道路。

引言

乳腺癌是全球女性中发病率最高的恶性肿瘤之一，且发病率逐年上升，同时乳腺癌更倾向于发生在年轻女性中[1]。然而，其高度异质性、易转移性和药物耐药性严重限制了临床疗效的提高，临床抗肿瘤药物的成功率远低于其他药物[2]。因此，建立能够准确模拟体内肿瘤状态的理想乳腺癌模型尤为重要。传统的研究模型（如二维细胞系和肿瘤异种移植模型）由于缺乏肿瘤微环境模拟、遗传漂变、伦理问题以及样本获取困难，难以真实反映患者肿瘤的生物学行为和药物反应特性[3]。近年来，类器官通过模拟肿瘤在体外的组织结构和功能，成为连接理论研究与临床应用的创新工具[4,5]。

乳腺癌类器官可由患者肿瘤组织、成体干细胞（ASCs）、诱导多能干细胞（iPSCs）或基因编辑细胞（GE-Cs）衍生而来[6,7]。在仿生基质的支持下，可以形成包含肿瘤细胞、基质细胞和细胞外基质（ECM）的类肿瘤结构。这种方法的最大优势在于能够保留原发肿瘤的遗传异质性和表型多样性。Bissell等人最早开展了与乳腺癌类器官相关的研究[8]。随着生物材料工程的发展，研究人员可以更精确地调控基质的机械性能（如硬度和孔隙率），并通过添加生物活性物质对其进行修饰[5,9]。微流控技术的进步有助于建立生化信号梯度并维持灌流系统，从而模拟体内肿瘤微环境的动态[10,11]。此外，越来越多的研究整合了基质细胞[12,13]，构建出更接近生理条件的共培养系统，这些模型在揭示肿瘤转移机制、筛选靶向药物和预测个性化治疗反应方面显示出巨大潜力。CRISPR等基因编辑技术可通过改变目标基因或引入特定癌症相关基因来设计乳腺癌类器官，在基因诊断中具有关键应用价值[14]。此外，类器官还可用于指导个性化治疗和精准药物选择[15]。

然而，现有的类器官仍面临一些核心挑战：尽管类器官为癌症研究提供了更为真实的三维模型，但完全反映患者肿瘤的异质性和肿瘤微环境仍是一个尚未实现的突破。此外，还有一些领域需要探索，例如培养系统的标准化、类器官培养的成功率以及提高类器官的复杂性。同时，如何更好地将类器官与器官芯片、基因编辑和多组学分析等尖端技术相结合，以揭示肿瘤进展与微环境变化之间的联系，仍是一个瓶颈。

本文系统地回顾了乳腺癌类器官的生成策略及其在精准医疗中的应用，特别强调了它们在模拟肿瘤异质性、构建共培养系统以及预测药物反应方面的创新价值。同时，我们也展望了未来技术优化的潜在方向。预计乳腺癌类器官将为乳腺癌精准医疗研究提供更可靠的理论基础和技术支持。

章节摘录

组织/细胞来源

乳腺癌类器官的制备涉及多种来源，这从根本上决定了它们的特性和应用范围。一般来说，它们可以分为两类：一类直接从患者肿瘤组织中提取的类器官，旨在最大程度地模拟个体肿瘤的复杂性以服务于精准医疗；另一类则是通过干细胞或基因工程构建的类器官，侧重于通过调节特定生物学机制来研究疾病过程

基因和蛋白质诊断

乳腺癌类器官在多个领域展现出巨大应用潜力（见图2）。在分子水平上，类器官能够很大程度上再现肿瘤的基因和蛋白质表达模式、分子特征以及代谢活动，还包括患者特有的肿瘤内异质性。

在基因组学方面，乳腺癌类器官能够再现原始乳腺癌组织的关键基因组特征。针对类器官的基因检测技术也在不断进步。

挑战与前景

作为体外癌症研究的新兴模型，类器官为乳腺癌的研究和治疗提供了可靠的平台。尽管乳腺癌类器官最初是为了疾病建模、机制研究和药物筛选而开发的，但它们仍远未达到成熟的癌症模型水平[15]。目前尚未开发出具有标准化质量控制措施的标准化类器官培养系统，不同实验室之间存在差异。

结论

作为生物医学研究领域的一项重要突破，乳腺癌类器官提供了一个更接近生理环境的三维模型。这类模型在很大程度上保留了肿瘤的形态、结构、遗传背景和异质性，为深入研究肿瘤生物学及其治疗机制提供了有力工具。然而，要构建一个能够充分捕捉患者肿瘤异质性的模型仍面临挑战

作者贡献声明

胡明宇：撰写——初稿。周晨昕：撰写——初稿。李梅：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。赵继元：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金（LY24H160001）、浙江省医疗卫生研究项目（2023KY1102）和宁波市重大科技项目（2024Z205）的支持。图表制作使用了BioRender.com工具。