Nature―瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院：光遺傳學(xué)的創(chuàng)新性結(jié)合揭示腸癌機制_abio生物試劑品牌網(wǎng)
在癌癥研究領(lǐng)域，如何精準(zhǔn)模擬腫瘤發(fā)生的時空動態(tài)一直是未解難題。傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)和動物模型要么缺乏生理復(fù)雜性，要么難以實時追蹤細(xì)胞變化。本文由 瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）Matthias P. Lutolf團隊 主導(dǎo)，聯(lián)合瑞士癌癥研究所以及巴塞爾羅氏創(chuàng)新中心等機構(gòu)完成，發(fā)表于《自然》（Nature）。通訊作者L. Francisco Lorenzo-Martín和Matthias P. Lutolf長期致力于干細(xì)胞生物工程與腫瘤微環(huán)境研究，其團隊開發(fā)的器官芯片技術(shù)在模擬組織生理復(fù)雜性領(lǐng)域具有國際領(lǐng)先地位。
研究團隊創(chuàng)新性地將微流控芯片技術(shù)、光遺傳學(xué)工具與組織工程方法結(jié)合，開發(fā)出具有拓?fù)渖飳W(xué)復(fù)雜性的體外微型結(jié)腸模型（mini-colons）。
重要發(fā)現(xiàn)
光遺傳學(xué)驅(qū)動的體外腫瘤發(fā)生模擬
光控Cre重組酶系統(tǒng)：從基因到表型的時空精準(zhǔn)操控
研究團隊開發(fā)的OptoCre系統(tǒng)是一種基于藍光響應(yīng)的基因編輯工具，其核心在于將Cre重組酶的表達與光信號耦合。該系統(tǒng)包含三個關(guān)鍵組件：
rtTA轉(zhuǎn)錄因子：組成性表達，與多西環(huán)素結(jié)合后激活下游元件；
GAVPO蛋白：在多西環(huán)素存在時表達，藍光照射下與Cre重組酶結(jié)合并激活其功能；
熒光報告基因：通過GFP標(biāo)記突變細(xì)胞，實現(xiàn)單細(xì)胞水平的實時追蹤。
在實驗中，研究人員將OptoCre導(dǎo)入攜帶Apc、Kras、Trp53突變的結(jié)腸類器官（AKP模型），通過藍光照射（100μW/cm2，3小時）誘導(dǎo)特定細(xì)胞的致癌重組。結(jié)果顯示，藍光照射區(qū)域的細(xì)胞迅速啟動突變程序，而未照射區(qū)域保持正常，證明該系統(tǒng)具有亞細(xì)胞級的空間控制精度。
迷你結(jié)腸：光遺傳學(xué)與微流控技術(shù)的完美融合傳統(tǒng)類器官因結(jié)構(gòu)封閉、壽命短，難以模擬腫瘤長期演化。而微流控迷你結(jié)腸通過支架引導(dǎo)的類器官形態(tài)發(fā)生，形成了類似體內(nèi)結(jié)腸的開放管腔結(jié)構(gòu)，具備三大優(yōu)勢：
長期培養(yǎng)能力 ：無需傳代即可維持?jǐn)?shù)周，允許觀察腫瘤從啟動到侵襲的完整時間線；
細(xì)胞空間分區(qū) ：隱窩區(qū)域富集干細(xì)胞（Lgr5+、SOX9+），管腔側(cè)分布分化細(xì)胞（FABP1+），重現(xiàn)體內(nèi)組織極性；
光信號穿透性 ：透明水凝膠支架允許藍光均勻照射，結(jié)合光掩膜技術(shù)可精準(zhǔn)定位突變區(qū)域（如僅照射<0.5%的細(xì)胞）。
通過OptoCre與迷你結(jié)腸的結(jié)合，研究團隊首次在體外觀察到：
早期細(xì)胞競爭：突變細(xì)胞在藍光照射后24-72小時內(nèi)經(jīng)歷凋亡高峰，但少數(shù)細(xì)胞逃逸并進入快速增殖狀態(tài)；
腫瘤形態(tài)發(fā)生：從息肉樣結(jié)構(gòu)（5-10天）逐步演變?yōu)榍忠u性腫瘤，表達CD44+癌癥干細(xì)胞標(biāo)記，與體內(nèi)腺癌組織學(xué)特征高度吻合。
腫瘤異質(zhì)性的光控解析利用光掩膜技術(shù)，研究人員對比了隱窩和管腔上皮細(xì)胞作為腫瘤起始位點的差異：
隱窩起源腫瘤 ：呈現(xiàn)致密結(jié)構(gòu)，富含干細(xì)胞標(biāo)記（Lgr5+、SOX9+），轉(zhuǎn)錄譜與體內(nèi)癌癥干細(xì)胞高度相似；
管腔起源腫瘤 ：形成囊性結(jié)構(gòu)，分化標(biāo)記（FABP1+）表達較高，增殖能力較弱。
這一結(jié)果表明，腫瘤起始微環(huán)境決定了其形態(tài)和功能異質(zhì)性，而光遺傳學(xué)技術(shù)為解析這種“環(huán)境-基因型”互作提供了可控平臺。
創(chuàng)新與亮點
技術(shù)突破：從“黑箱”到“透明實驗室”
傳統(tǒng)腫瘤研究依賴動物模型，面臨三大瓶頸：
時空分辨率不足：無法實時追蹤單細(xì)胞動態(tài)；
倫理與成本：動物實驗周期長、成本高，且難以大規(guī)模篩選；
生理相關(guān)性差：二維培養(yǎng)或簡單類器官無法模擬組織復(fù)雜性。
光遺傳學(xué)與迷你結(jié)腸的結(jié)合突破了上述限制：
時空操控革命：藍光照射可在分鐘級激活突變，配合延時攝影實現(xiàn)“腫瘤發(fā)生電影”的全程記錄；
生理相關(guān)性躍升：迷你結(jié)腸包含8種主要細(xì)胞類型，覆蓋干細(xì)胞、分化細(xì)胞和分泌細(xì)胞，其轉(zhuǎn)錄譜與體內(nèi)結(jié)腸組織的相關(guān)性達89%；
高通量潛力：微流控裝置可并行培養(yǎng)多個迷你結(jié)腸，結(jié)合自動化成像系統(tǒng)，適合大規(guī)模藥物篩選。
科學(xué)價值：揭開腫瘤起始的“黑匣子”
該研究首次在體外復(fù)現(xiàn)了結(jié)直腸癌的多階段演化模型，并通過光遺傳學(xué)技術(shù)驗證了關(guān)鍵科學(xué)假設(shè)：
腫瘤起始的“細(xì)胞死亡-逃逸”假說：突變早期的細(xì)胞凋亡是清除異常細(xì)胞的關(guān)鍵機制，而逃逸細(xì)胞的克隆擴張依賴WNT信號通路激活；
代謝微環(huán)境的調(diào)控作用：通過光控誘導(dǎo)不同分化狀態(tài)的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽過氧化物酶GPX2是維持癌癥干細(xì)胞干性的關(guān)鍵因子，其抑制劑硫普羅寧可顯著抑制腫瘤形成；
菌群代謝物的遠程調(diào)控：利用迷你結(jié)腸的開放管腔，證實膽汁酸代謝物脫氧膽酸可通過管腔側(cè)接觸促進腫瘤生長，而丁酸等抑癌代謝物則通過相同路徑發(fā)揮作用。
總結(jié)與展望
光遺傳學(xué)迷你結(jié)腸模型的誕生，標(biāo)志著腫瘤研究進入“精準(zhǔn)操控”的新紀(jì)元。這項技術(shù)通過光信號將基因編輯、細(xì)胞追蹤與組織工程無縫整合，不僅在體外復(fù)現(xiàn)了腫瘤發(fā)生的時空復(fù)雜性，更賦予研究者“主動創(chuàng)造”腫瘤微環(huán)境的能力。盡管當(dāng)前模型尚未整合免疫細(xì)胞與血管系統(tǒng)，且對多階段突變的模擬仍需優(yōu)化，但它已在藥物篩選（如GPX2抑制劑驗證）、個性化醫(yī)療（患者類器官藥敏測試）等領(lǐng)域展現(xiàn)出顛覆性潛力。未來，隨著光遺傳學(xué)工具的迭代（如近紅外光激活系統(tǒng)）與類器官技術(shù)的升級（血管化、神經(jīng)支配），這種“可編程”的體外腫瘤模型有望成為替代動物實驗的核心平臺，讓癌癥研究從“依賴偶然觀察”轉(zhuǎn)向“設(shè)計驅(qū)動發(fā)現(xiàn)”，最終為攻克腫瘤異質(zhì)性與精準(zhǔn)醫(yī)療提供關(guān)鍵鑰匙。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
文章來源于：
Lorenzo-Martín LF, Hübscher T, Bowler AD, Broguiere N, Langer J, Tillard L, Nikolaev M, Radtke F, Lutolf MP. Spatiotemporally resolved colorectal oncogenesis in mini-colons ex vivo. Nature. 2024 May;629(8011):450-457.
DOI:10.1038/s41586-024-07330-2.
本站“ABIO生物試劑品牌網(wǎng)”圖片文字來自互聯(lián)網(wǎng)
如果有侵權(quán)請聯(lián)系微信: nanhu9181 處理，感謝~
