Cell Stem Cell?|?慢性胰腺炎PDO平臺(tái)揭示導(dǎo)管功能障礙和CFTR調(diào)節(jié)劑的反應(yīng)

撰文|章臺(tái)柳

胰腺炎是一種炎癥性疾病，可從急性階段進(jìn)展為慢性階段。超過(guò)30萬(wàn)美國(guó)人和全球300萬(wàn)人患有慢性胰腺炎（CP）。CP的特征包括胰腺萎縮、纖維化、外分泌功能不全、糖尿病和頑固性疼痛。目前的治療主要是支持性的，往往無(wú)法改變疾病進(jìn)程，有時(shí)需要通過(guò)部分或全部胰腺切除術(shù)等外科干預(yù)來(lái)進(jìn)行疼痛管理。CP的病因來(lái)源于多種環(huán)境和遺傳因素。它使用毒性-代謝性、特發(fā)性、遺傳性、自身免疫性、復(fù)發(fā)性及重癥急性胰腺炎、以及梗阻性（TIGAR-O v.2）框架進(jìn)行分類(lèi)。導(dǎo)致CP發(fā)展的最常見(jiàn)因素包括吸煙（46%–60%），膽結(jié)石（14%–37%），酒精（7%–34%）和遺傳因素（10%），但28%–80%的病例仍屬于特發(fā)性。遺傳性CP與PRSS1(68%–80%)、SPINK1(1%–8.8%)、CFTR(10%–37%)以及其他基因的致病性種系突變有關(guān)。

胰腺炎的起始可追溯到腺泡細(xì)胞和導(dǎo)管細(xì)胞的功能障礙。PRSS1和SPINK1突變導(dǎo)致消化酶過(guò)度激活，從而引起腺泡細(xì)胞損傷和炎癥。突變、酒精、煙草、甲狀腺功能減退和鈣水平升高會(huì)破壞胰腺中的碳酸氫鹽 (HCO3?) 分泌，主要通過(guò)CFTR轉(zhuǎn)運(yùn)到管腔中。高容量的HCO3?轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)于粘蛋白產(chǎn)生至關(guān)重要，可將消化酶沖刷至十二指腸，防止消化酶過(guò)早激活，并中和來(lái)自胃的酸性食糜。導(dǎo)管細(xì)胞通常每天分泌1–2升140 mM的碳酸氫鈉，彰顯導(dǎo)管離子轉(zhuǎn)運(yùn)在胰腺穩(wěn)態(tài)中的核心作用。與遺傳性CP相關(guān)的CFTR變異通常是雜合的，選擇性地?fù)p害碳酸氫鹽而不是氯化物的傳導(dǎo)。這些特征不同于囊性纖維化，可能反映了CFTR的生物學(xué)功能具有器官特異性差異。與此一致的是，在對(duì)遺傳性CP病例進(jìn)行全面的基因分型時(shí)，在相當(dāng)一部分病例中發(fā)現(xiàn)了CFTR改變，且在特發(fā)性CP也觀察到CFTR的改變。總而言之，這些觀察結(jié)果表明，CFTR 依賴(lài)性HCO3?分泌受損可能是以前認(rèn)為的更廣泛的CP亞群的基礎(chǔ)，并代表了一個(gè)引人注目的治療靶點(diǎn)。

在有2,000多個(gè)CFTR突變被注釋的情況下，大多數(shù)CFTR變異對(duì)調(diào)節(jié)劑的反應(yīng)是未知的。即使在囊性纖維化患者中，對(duì)CFTR療法的反應(yīng)也差異很大，這表明僅憑基因型不足以預(yù)測(cè)功。在遺傳性CP中，對(duì)CFTR調(diào)節(jié)劑反應(yīng)的理解更加有限。對(duì)其的研究進(jìn)展受限于模型，小鼠 CFTR 對(duì)人類(lèi)優(yōu)化調(diào)節(jié)劑的反應(yīng)不一致，且小鼠胰腺HCO3?分泌與人類(lèi)不同，在胰腺分泌物中僅達(dá)到50 mM，與人類(lèi)生理學(xué)的相關(guān)性較差。

患者來(lái)源的三維類(lèi)器官 (PDO) 已成為研究人類(lèi)胰腺生物學(xué)的變革性模型。PDO可以以極高的效率從正常人類(lèi)胰腺和胰腺導(dǎo)管腺癌 (PDA) 中生成。這些類(lèi)器官是可擴(kuò)展的、可冷凍保存的，并保持遺傳和轉(zhuǎn)錄保真度，從而能夠進(jìn)行深入的功能分析。在PDA中，PDO重現(xiàn)了疾病特征，能夠預(yù)測(cè)治療反應(yīng)，并揭示耐藥機(jī)制。盡管PDO缺乏原生微環(huán)境，但保留顯著的臨床預(yù)測(cè)能力。CP的PDO模型仍然很少見(jiàn)，其生成效率、分子保真度和轉(zhuǎn)化潛力仍然未知。

近日，Salk Institute的Dannielle D. Engle團(tuán)隊(duì)在Cell Stem Cell雜志上發(fā)表文章Patient-derived organoids reveal ductal dysfunction and CFTR-modulator responses in chronic pancreatitis，開(kāi)發(fā)了一個(gè)慢性胰腺炎的PDO平臺(tái)來(lái)研究疾病的分子發(fā)病機(jī)制并確定治療策略。分別從特發(fā)性、遺傳性和酒精相關(guān)性CP患者中生成37個(gè)PDO，這些PDO具有高度的遺傳一致性。PDO保留與炎癥相關(guān)的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)組學(xué)特征。轉(zhuǎn)錄組分析揭示了三種獨(dú)立于病因的CP分子亞型。在一半的CP PDO（包括具有野生型CFTR的PDO）中， CFTR存在廣泛的功能障礙。臨床可用的CFTR調(diào)節(jié)劑可穩(wěn)定突變型或野生型CFTR，恢復(fù)CFTR功能，并減少有絲分裂原和炎癥信號(hào)傳導(dǎo)。這項(xiàng)工作為CP建模提供了一個(gè)全面的PDO平臺(tái)，并展示了該平臺(tái)在精準(zhǔn)治療研究中的實(shí)用性。

研究人員收集了51份CP手術(shù)標(biāo)本，包括特發(fā)性CP（43%）、遺傳性CP（35%）以及酒精、梗阻性和其他罕見(jiàn)病因。其中24份接受了基因檢測(cè)，在CFTR (20%, n = 10)、PRSS1 (14%, n = 7) 和SPINK1 (12%, n = 6) 中報(bào)告了致病性變異。大多數(shù)CP標(biāo)本是在全胰切除術(shù)伴自體胰島移植（TPIAT，69%) 后獲得的，其余來(lái)自部分胰腺切除術(shù) (27%)，以及在部分胰腺切除術(shù)期間獲得的2份胰液標(biāo)本 (4%)。胰腺切除術(shù)標(biāo)本是在切除后2小時(shí)內(nèi)獲得的，具有完整的實(shí)質(zhì)，但通常嚴(yán)重灼傷。TPIAT標(biāo)本被部分解離，然后在手術(shù)后通常24-48小時(shí)接收，通常伴有實(shí)質(zhì)破壞。當(dāng)有足夠的完整組織可用時(shí)，一部分標(biāo)本被固定用于組織學(xué)評(píng)估，病理學(xué)家確認(rèn)具有經(jīng)典的CP特征，包括實(shí)質(zhì)萎縮、纖維化和導(dǎo)管異常。纖維化評(píng)分和膠原沉積定量顯示大量的促纖維增生反應(yīng)，一些標(biāo)本中幾乎沒(méi)有剩余的腺泡上皮組織。培養(yǎng)1-7天后可觀察到類(lèi)器官，并且每4-7天可傳代一次，可傳代12-25次，這與正常胰腺（NP）類(lèi)器官的傳代潛力相似。PDO生成效率約73%，即在達(dá)到評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的51個(gè)樣本中，有37個(gè)產(chǎn)生了PDO細(xì)胞系。失敗的可能原因有：組織到達(dá)時(shí)已被冷凍、廣泛燒灼或主要由纖維化組成，導(dǎo)致缺乏可行的上皮細(xì)胞。TPIAT標(biāo)本的PDO生成效率（80%）高于部分胰腺切除術(shù)樣本（56%）。CP類(lèi)器官表現(xiàn)出一致、均質(zhì)的囊性形態(tài)，具有單層細(xì)胞結(jié)構(gòu)。類(lèi)器官的形態(tài)、傳代時(shí)間和傳代潛力在不同CP病因之間沒(méi)有差異。CP PDO由快速分裂的導(dǎo)管上皮細(xì)胞組成。未觀察到NP和CP PDO之間增殖的任何差異，這與先前關(guān)于這種培養(yǎng)條件支持NP 和PDA PDO之間高水平增殖的發(fā)現(xiàn)一致。

研究人員通過(guò)全基因組測(cè)序（WGS）、全外顯子組測(cè)序（WES）或靶向測(cè)序?qū)ζヅ涞脑腜DO樣本進(jìn)行基因組分析，來(lái)評(píng)估PDO的遺傳保真度。使用WGS比較了超過(guò)900萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性（SNP）和近200萬(wàn)個(gè)插入缺失（indel），結(jié)果顯示14對(duì)PDO和原代組織之間的平均匹配率為98%，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）為0.96。通過(guò)WES比較了超過(guò)80,000個(gè)SNP和7,000個(gè)插入缺失，顯示平均匹配率為91%，6對(duì)PDO和原代組織之間的ICC為0.83。這些數(shù)據(jù)證明了患者匹配的原代組織和PDO之間具有高度的遺傳一致性。同時(shí)，研究人員對(duì)與遺傳性胰腺炎相關(guān)的14個(gè)基因的種系變異進(jìn)行分析。不僅所有臨床注釋的PRSS1、SPINK1和CFTR種系變異都保留在PDO中，而且檢測(cè)出一些未注釋的突變。更重要的是，CP是發(fā)生胰腺癌的危險(xiǎn)因素，一些遺傳性CP患者的終生風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)55%。PDO平臺(tái)能夠識(shí)別存在于少量上皮細(xì)胞中的潛在體細(xì)胞致癌變異，而這些變異會(huì)被原代組織的低上皮細(xì)胞度所掩蓋。即CP PDO模型可能有助于識(shí)別進(jìn)展為PDA風(fēng)險(xiǎn)較高的患者。

為了解析CP PDO中差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄組特征，研究人員對(duì)24個(gè)CP、9個(gè)NP和4個(gè)正常鄰近腫瘤（NAT）PDO進(jìn)行RNA-seq。與NP和NAT PDO相比，CP PDO具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組特征。GSEA顯示， CP PDO在與炎癥反應(yīng)、通過(guò)NF-κB的TNFα信號(hào)傳導(dǎo)、KRAS信號(hào)傳導(dǎo)、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）和 TGF-β信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因集中富集，同時(shí)氧化磷酸化受到抑制。且CP PDO表達(dá)更高水平的纖維化和炎癥細(xì)胞因子相關(guān)基因（例如，COL1A1、TGFB2、IL1A和CSF1），這表明CP PDO維持了CP患者中存在的纖維化和炎癥程序。使用免疫印跡（IB）來(lái)評(píng)估PDO模型中與胰腺炎相關(guān)的蛋白質(zhì)和聚糖水平，以及促有絲分裂和炎癥信號(hào)傳導(dǎo)，并在具有代表性的匹配原代患者樣本上進(jìn)行免疫組化 (IHC) 驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)CP類(lèi)器官重現(xiàn)了原代組織樣本的蛋白質(zhì)表達(dá)，并表現(xiàn)出升高的炎癥和促有絲分裂信號(hào)傳導(dǎo)。

最后，研究人員構(gòu)建了評(píng)估CFTR功能的實(shí)驗(yàn)體系，對(duì)PDO進(jìn)行測(cè)試。令人震驚的是，測(cè)試的9個(gè)PDO中有5個(gè)表現(xiàn)出CFTR功能障礙，包括2個(gè)不攜帶致病性CFTR改變的PDO。使用臨床可用的CFTR調(diào)節(jié)劑進(jìn)行治療恢復(fù)了導(dǎo)管功能并抑制了促炎和促有絲分裂信號(hào)傳導(dǎo)，這表明CFTR調(diào)節(jié)可能使廣泛的CP患者群體受益。

綜上，這項(xiàng)研究建立了慢性胰腺炎的患者來(lái)源類(lèi)器官培養(yǎng)體系，這些類(lèi)器官保留了疾病特征，有助于分子機(jī)制的研究和預(yù)測(cè)疾病進(jìn)展生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了超越遺傳變異的CFTR功能障礙，使用臨床可用的CFTR調(diào)節(jié)劑可進(jìn)行功能挽救，為探究胰腺炎生物學(xué)和開(kāi)發(fā)靶向干預(yù)措施提供了一個(gè)精準(zhǔn)醫(yī)療框架。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2026.06.002

制版人： 十一

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