转移性结直肠癌患者来源类器官捕捉肿瘤异质性并预测生存与药物敏感性 | Cell Reports Medicine 2026
Patient-derived organoids from metastatic colorectal cancer mirror tumor heterogeneity and predict patient survival and drug sensitivity
作者: Kushtrim Kryeziu, Solveig K. Klokkerud, Max Z. Totland, …, Sheraz Yaqub, Anita Sveen, Ragnhild A. Lothe
期刊: Cell Reports Medicine 7, 102840 | DOI: 10.1016/j.xcrm.2026.102840
样本: 213 株转移性结直肠癌患者来源类器官 (PDO, patient-derived organoid) | 102 例患者 | 8 例多次肝切除
核心方法: PDO 活体生物库 + 多组学 (基因组 / 转录组 / 蛋白组) + 24 药药敏 + 形态学分型
核心发现: PDO 保留原发肿瘤的形态、转录和突变特征, 但可成功培养的肿瘤恶性程度更高, 患者总生存显著差于培养失败患者; PDO 形态分型 (囊性 vs 实性) 揭示转移灶间药敏异质性
📣 摘要
转移性结直肠癌 (mCRC) 高度异质, 但转移灶间药敏异质性的系统建模受限于单点取材。本研究从 132 例手术切除的结直肠癌肝转移 (CRLM) 患者建立 213 株 PDO 活体生物库, 配套药物敏感性 (24 种化疗/靶向药)、形态学 (H&E + 多重免疫荧光)、转录组 (HTA 2.0 微阵列 + RNA-seq)、突变谱 (20 个 CRC 驱动基因) 和多重免疫荧光 (12 蛋白) 数据, 系统解析转移性结直肠癌的空间 + 时间 + 患者间异质性。
关键发现: PDO 建立成功率与肝脏解剖位置、患者既往化疗次数均无关; 但可建系肿瘤恶性程度更高, 患者总生存显著差于培养失败患者 (HR 1.94, 95% CI 1-3.7, p = 0.04)。囊性 (cystic) 与实性 (solid) PDO 在 RAS/BRAF 突变率、iCMS 分型、5-FU / afatinib 药敏上呈连续性差异——同一患者内混合形态者, 不同转移灶间药敏异质性显著高于形态均一者 (Welch p = 0.017)。
核心技术: PDO 活体生物库 | 24 药 DSS 评分 | 多重免疫荧光 (CDX2 / KRT20 / KI67) | iCMS 分子分型 | 时间-空间多组学 | Cell Reports Medicine 2026
🔬 研究背景
结直肠癌 (CRC) 是全球癌症相关死亡的第二大原因, 肝转移 (CRLM) 是主要死亡驱动。临床决策高度依赖患者个体的药物反应预测, 但现有模型 (PDX / 细胞系) 因建立时间长、缺少多灶点信息、无法保留形态学特征而受限。患者来源类器官 (PDO) 已成功建立 CRC 原发灶生物库, 但转移灶与多灶点异质性的系统建模空白。
研究目标:
- 建立转移性 CRC 的大规模 PDO 活体生物库 (≥200 株, 多组学配套)
- 解析 PDO 能否保真复制原发转移灶的形态、转录、突变特征
- 系统刻画患者内 + 患者间的药敏异质性层级规律
- 探索形态学亚型 (囊性 / 混合 / 实性) 与分子特征、药敏的关联
- 案例验证 PDO 药敏对临床治疗选择的前瞻性指导价值
🧪 实验方法
设备与平台
- 类器官培养: 患者新鲜切除组织 → 机械 + 酶解 → BME (Basement Membrane Extract) 三明治包埋 → 6 孔板 / 24 孔板 → 37°C 5% CO₂ 培养
- 形态学: H&E 染色 + 多重免疫荧光 (mIHC, CDX2 + KRT20 + nuclei)
- 转录组: Human Transcriptome 2.0 Array (HTA, n=69 PDOs) + RNA-seq (n=70 PDOs)
- 突变谱: 20 个 CRC 相关基因靶向测序 (KRAS / NRAS / BRAF / TP53 / PIK3CA / SMAD4 / APC / CTNNB1 等)
- 多重免疫荧光: 12 蛋白 panel (CDX2 / KRT20 / KI67 等)
- 药敏检测: 24 种化疗 + 靶向药物 DSS (Drug Sensitivity Score) 评分
样本来源
- 132 例 mCRC 患者 (肝转移灶切除)
- 130 例入生物库 → 102 例至少 1 株 PDO 成功建立 (78% 建立率)
- 213 株 PDO 总数 + 175 株来自 66 例多灶点患者
- 8 例接受多次肝切除 → 时间维度样本
实验处理
- 建立成功率追踪: 每例患者按 (肝脏解剖 8 段 / 既往治疗 / 病灶数量) 分层
- 多维度配对分析: 50 对 PDO-CRLM 配对 (形态 + 转录 + 突变)
- 前瞻性治疗选择: 2 个案例 (Pt137 ERBB2+ / Pt160 FOLFIRI) — 临床影像 + PDO 药敏 + 患者实际治疗响应
分析指标
- 药物反应: 中位 cDSS (中心化 DSS) 分组: resistant (<-0.15) / intermediate (-0.15 to 0.15) / sensitive (>0.15)
- 药敏异质性: 基于 24 药 DSS 的配对欧氏距离 (患者内空间 / 患者内时间 / 患者间)
- 形态分型: cystic / mixed / solid 三类
- 分子分型: iCMS (intrinsic Consensus Molecular Subtypes) 2 / 3 / unclassified
- 统计: Wilcoxon 秩和 / Kruskal-Wallis / Pearson 卡方 / Cox 比例风险 / log-rank
📊 核心结果与配图
1. 213 株 CRLM PDO 活体生物库的建立与患者生存关联
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 从 132 例手术切除的 CRLM 患者 (8 例多次肝切除) 取材; 按肝段 (Couinaud 8 段)、既往治疗、取材次数分层, 培养 213 株 PDO, 追踪建立成功率与患者长期生存 |
| 发现什么 | 130 例入生物库 → 102 例至少 1 株 PDO 成功 (78%); 失败原因: 初始未生长 70% / 初始生长但无法传代 20% / 肿瘤细胞含量低 4% / 坏死 2% / 交叉污染 4%; 既往新辅助治疗不影响成功率 (Wilcoxon p=0.015, 临床反应好者成功率反高); 建立成功者 vs 失败者总生存: HR 1.94 (95% CI 1-3.7), log-rank p=0.04, 4 年生存率 37% vs 60% |
| 说明什么 | CRLM PDO 培养可行, 适合大样本生物库建设; 可体外培养本身是肿瘤侵袭性的标志——这部分肿瘤恶性程度更高、化疗耐药倾向更强、生存更差, 不能用"培养成功 = 良性"反推; PDO 生物库偏向肿瘤高侵袭性亚群, 用于药敏筛选时要考虑此选择偏差 |
图 1: PDO 活体生物库的患者来源与生存关联 (Figure 1)。A 肝段解剖分布: 8 段 Couinaud 分段 + 饼图标注每段取材成功率 (颜色: 绿色=成功 / 橙红色=失败, 饼大小与取材量成正比); B 培养失败原因构成比 (n=133 例失败); C 取材数与成功率关系 (卡方检验 df 5.567, p=0.3507); D 132 例患者按建库成功与否分层 (按入组顺序排列, 黑线分隔 8 例多次肝切除); E 既往新辅助治疗下建库成功组与失败组的影像学反应差异 (Wilcoxon p=0.015); F 总生存 Kaplan-Meier 曲线 (n=132, log-rank p=0.04, HR 1.94, 4 年生存率 37% vs 60%)。核心发现: PDO 建库成功 = 肿瘤高侵袭性 + 化疗耐药 + 生存差的强信号。
2. 多组学数据集成: 7 维度刻画 213 株 PDO
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 对 213 株 PDO 按患者来源分组 (n=102 患者) 排序, 构建 Circos 圈图集成 7 个数据轨道: 形态 (cystic/mixed/solid) / 生长速度 (fast/standard/slow) / 蛋白表达 (CDX2/KRT20/KI67) / iCMS 分型 (2/3/unc) / 突变 (RAS/BRAF/TP53), 同步标注 24 药 cDSS 评分与单 PDO 患者亚群 |
| 发现什么 | 整体分布: cystic 28% / mixed 34% / solid 38%; 突变分布与 Yaeger 2024 + Mendelaar 2024 转移性 CRC 大队列高度一致 (本研究 PDO 与转移性 CRC 队列突变频率 p=0.98); 蛋白相对表达与形态分型相关 (CDX2 囊性 > 实性, KRT20 实性 > 囊性); iCMS 2 / 3 在 PDO 群体中均存在 (unc 比例较低) |
| 说明什么 | PDO 群体保留了转移性 CRC 核心突变特征 (与公开队列 p=0.98), 是可靠的 mCRC 研究模型; 形态-蛋白-分子分型的环状关联可视化, 是后续单发现深挖的 "鸟瞰图"; 7 维度集成 = PDO 真正 "living biobank" 的标志 |
图 2: 213 株 PDO 的 7 维度多组学 Circos 圈图 (Figure 2)。从圆周最外层向圆心依次为: Patient (深/浅灰区分患者) → cDSS (24 药均值, 径向刻度 -2/0/2, 颜色: 绿=sensitive / 橙=intermediate / 红=resistant) → Morphology (圆点, 绿=cystic / 蓝=mixed / 珊瑚=solid) → Growth speed (色块, 黄=fast / 酒红=standard / 珊瑚=slow) → Protein (CDX2 深紫圆点 / KRT20 蓝绿三角 / KI67 洋红空心三角, 径向刻度 0/0.5/1) → iCMS (紫色=iCMS2 / 橙色=iCMS3 / 浅灰=unclassified) → 突变 (RAS/BRAF/TP53, 深红=mutated / 浅紫=BRAF V600E / 浅灰=WT)。中心图例完整标注所有符号 / 颜色含义。核心发现: PDO 群体保留转移性 CRC 突变分布, 形态-蛋白-分子分型连续性关联。
3. PDO 是 CRLM 的可靠模型: 形态 + 转录 + 突变三重保真
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 50 对配对样本 (PDO + 对应 CRLM 原发灶) 进行: A 相差 + H&E 形态对比 (Pt106 t1/t2 + Pt128 t1/t2) → B GSEA 通路富集对比 (n=106 gene sets) → C Spearman 主成分关联 + PC2 散点 → D 10 个驱动基因突变频率对比 (本研究 vs Yaeger 2024 vs Mendelaar 2024) |
| 发现什么 | 形态保真: 85% PDO 保留肿瘤形态学特征, 4 株 PDO 与对应 CRLM H&E 染色相似度极高; 转录组保留: PC2 Spearman ρ = 0.82, p < 1×10⁻¹⁵; GSEA 显示 PDO 保留肿瘤上皮核心程序 (mTORC1 / 氧化磷酸化 / 胆固醇稳态 / MYC 增殖靶点 / DNA 修复), 缺失 CRLM 微环境信号 (血管生成 / EMT / 免疫浸润); 突变一致: KRAS / NRAS / BRAF 亚型分布与大样本转移性 CRC 队列高度吻合 (p=0.98); 10 个驱动基因频率分布一致 (APC / TP53 突变率最高) |
| 说明什么 | PDO = CRLM 的可靠体外替代, 适合: 大规模药物筛选 (保真度够 + 培养周期短) + 分子机制研究 (上皮细胞内信号清晰); 但不可用于: 微环境研究 (PDO 缺间质/免疫细胞); 临床决策需注意: PDO 反映的是上皮癌细胞药物反应, 不反映微环境介导的耐药 |
图 3: PDO 与 CRLM 形态 + 转录 + 突变的三重保真 (Figure 3)。A 相差 + H&E 双染色: Pt106 (多腺泡 / 囊样) + Pt128 (致密大球形) 两患者两个时间点 (t1/t2), PDO 与 CRLM 配对 (Scale bar 100 μm); B GSEA 火山图 (x = 富集分数, y = -log10 FDR, 黑色虚线 FDR=0.05): CRLM 富集血管生成 / EMT / 免疫浸润, PDO 富集 mTORC1 / 氧化磷酸化 / MYC 增殖 / DNA 修复; C Spearman 热图 (PDO-CRLM PC1/PC2/PC3, 实心框 p<0.01, 虚线框 p>0.3) + PC2 散点 (颜色 = PDO BRAF-mut-like 评分, ρ=0.82, p<1×10⁻¹⁵); D 10 个驱动基因突变频率: 本研究 PDO vs Yaeger 2024 + Mendelaar 2024 队列 (p=0.98, 卡方检验) + KRAS / NRAS / BRAF 亚型饼图。核心发现: PDO 保留 85% 形态 + 上皮转录核心 + 突变谱, 可靠反映 CRLM 上皮癌细胞特征。
4. 形态亚型 (囊性 vs 实性) 与分子特征 / 药敏的连续性差异
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 对 213 株 PDO 按形态分型 (cystic 43 / mixed 51 / solid 41) 分组, 比较: A H&E + mIHC 蛋白分布 (CDX2 / KRT20 / nuclei) → B 蛋白表达小提琴图 → C RAS/BRAF 突变率堆叠 → D iCMS 分型堆叠 → E GSEA 通路富集 (HTA + RNA-seq 双平台) → F 24 药 DSS / 5-FU / afatinib 单药 DSS 小提琴图 |
| 发现什么 | 蛋白连续性差异: CDX2 囊性 > 实性 (Kruskal-Wallis p=0.0085), KRT20 实性 > 囊性 (p=0.00033); 突变率: RAS 突变率 cystic 22% → mixed 49% → solid 66% (p=1.15e-04), 反映 iCMS3 倾向 solid (48% vs cystic 24%, p=0.03); 通路: solid 富集 BRAF-mut-like / EMTα2 / IFN-α / IFN-γ, cystic 富集 Wnt / β-catenin; 药敏: solid 对 5-FU DSS 更高 (更耐药, p=6.2e-05), cystic 对 afatinib DSS 更低 (更敏感, p=2e-04) |
| 说明什么 | 形态分型 = 分子分型 + 药敏分型的简易代理, 适合临床快速分层; cystic = 分化保留型 (CDX2 高 + KRT20 低 + Wnt 通路 + 5-FU 敏感); solid = 去分化型 (CDX2 低 + KRT20 高 + 突变率高 + 5-FU 耐药 + afatinib 不耐药); 临床意义: H&E 一眼分型 → 推测 5-FU 耐药倾向 + 选择 afatinib 候选 |
图 5: PDO 形态亚型与分子特征 / 药敏的连续性差异 (Figure 5)。A H&E (顶行) + mIHC (CDX2 红 / KRT20 绿 / nuclei 蓝, 底行) 三列 (cystic/mixed/solid) × 两时间点 (T1/T2) × 3 例患者 = 18 个显微子图 (Scale bar 100 μm); B CDX2 (p=0.0085) + KRT20 (p=0.00033) 蛋白表达小提琴图 (n=43/51/41); C RAS 突变率: cystic 22% / mixed 49% / solid 66% (Pearson 卡方 p=1.15e-04, n=150); D iCMS 分型: cystic iCMS2 76% → mixed 67% → solid 52% (p=0.03, n=167); E HTA + RNA-seq 双平台 GSEA 火山图 (绿 = cystic 富集 / 红 = solid 富集); F 24 药均值 DSS / 5-FU (p=6.2e-05) / afatinib (p=2e-04) 小提琴图。核心发现: cystic = 分化保留 / 5-FU 敏感 / Wnt 通路; solid = 去分化 / 5-FU 耐药 / BRAF-IFN-EMT 通路。
5. 患者内多灶点药敏异质性 = 形态异质性的预测器
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 对 175 株 PDO (66 例多灶点患者) + 27 对同患者时间序列 PDO + 5151 对不同患者 PDO 配对, 计算 24 药 DSS 欧氏距离 (药敏异质性), 按 A 患者内空间 / 时间 / 患者间三层级分组比较; C-D 检验 9 例混合形态患者 vs 形态均一患者的药敏异质性差异; E 排序患者内药敏距离, 与形态 / iCMS / 驱动突变异质性三组注释条叠加 |
| 发现什么 | 层级规律: 患者内空间 (n=151 对) + 时间 (n=27 对) 药敏异质性显著小于患者间 (n=5151 对) (one-way ANOVA + Tukey ****p<0.0001); 形态异质性预测药敏异质性: 形态异质患者 (9 例) 的转移灶间药敏异质性显著高于形态均一患者 (Welch p=0.017); 配对差异: 同一患者内 solid PDO 整体 DSS 高于 cystic PDO (配对 Wilcoxon p=0.027); 共变规律: 形态 + iCMS + 驱动突变异质性同时高的患者, 药敏异质性也更高 |
| 说明什么 | 临床决策需考虑: 单点取材的 PDO 药敏不能完全代表患者整体反应, 尤其在形态异质患者中; 药敏异质性遵循 "患者间 >> 患者内" 的层级规律, 与空间异质性 ≈ 时间异质性——这意味着复发 / 二次切除时, 药敏谱可能与初发样本相似, 但不同患者差异巨大; 形态分型可作为药敏异质性的"快速标记物"——H&E 切片显示混合形态者, 需多灶点采样 |
*图 6: 患者内多灶点药敏异质性的层级规律与形态预测价值 (Figure 6)。A 175 株多灶点 PDO 患者分布 (66 例), 堆叠条形图按形态 (红=solid / 蓝=mixed / 绿=cystic) 着色, 黑线分隔 6 例多次肝切除, 左上角饼图显示 PDO 整体形态分布 (solid 38% / mixed 34% / cystic 28%); B 患者内空间 (n=151) / 时间 (n=27) / 患者间 (n=5151) 三组药敏欧氏距离小提琴图 (one-way ANOVA + Tukey ***p<0.0001); C 9 例 cystic-solid 双形态患者的配对 DSS 哑铃图 (Wilcoxon p=0.027); D 形态异质 vs 均一患者的转移灶间药敏异质性箱线图 (Welch p=0.017); E 患者内药敏距离排序分布点图, 下方三层注释条标注形态 / iCMS / 驱动突变异质性 (SMAD4/PIK3CA/KRAS/CTNNB1/TP53/APC)。核心发现: 患者间药敏差异 >> 患者内; 形态异质性 = 药敏异质性的快速标记物。
💡 与可应用的产品/平台的关联
| 产品 / 平台 | 关联维度 | 关联度 | 说明 |
|---|---|---|---|
| CRLM 临床分子检测 panel (含 KRAS/NRAS/BRAF/PIK3CA/SMAD4/APC 等 20 基因靶向测序) | 互补 (方法学) | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本研究证实 PDO 与转移性 CRC 大队列突变分布 p=0.98, 20 基因 panel 是临床 mCRC 患者伴随诊断的核心 |
| 5-FU / FOLFIRI / FOLFOX 等化疗药物 DSS 检测平台 | 直接应用 (论文核心数据) | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 24 药 DSS 评分体系 = 体外药敏标准化方案; 本研究展示 PDO-DSS 临床预测价值 (Pt137 / Pt160 案例) |
| 多重免疫荧光 (mIHC) panel (CDX2 / KRT20 / KI67 等 12 蛋白) | 互补 (方法学) | ⭐⭐⭐⭐ | 本研究展示 mIHC 三蛋白组合即可区分 cystic vs solid 形态, 适合临床病理快速分型 |
| iCMS (intrinsic Consensus Molecular Subtypes) 分型试剂 / 服务 | 互补 (方法学) | ⭐⭐⭐⭐ | 本研究用 iCMS 区分 PDO 分子亚型 (iCMS2 vs iCMS3), 适合 mCRC 患者分子分型指导治疗 |
面向客户:
- 转移性 CRC 临床研究团队: 132 例 CRLM 患者 + 213 株 PDO 的多组学数据集 (24 药 DSS + 形态 + 突变 + 转录 + 蛋白) 可作为 mCRC 异质性研究的参考生物库, 适合: 大队列验证 / 罕见亚型 case 筛选 / 耐药机制研究
- 新药临床前评估团队: 24 药 DSS 标准化方案 + iCMS 分型 + 形态分型三层整合, 适合新药入组前的体外分层 + 异质性预测
- 临床伴随诊断开发团队: 本研究证实 PDO 突变分布与大样本队列一致 (p=0.98), 适合作为伴随诊断 panel 的临床验证对照
- 类器官培养平台: 本研究的 BME 三明治包埋 + 6/24 孔板培养方案可作为 PDO 标准 SOP 参考
🏷️ 结论
- CRLM PDO 活体生物库可行且有价值 — 132 例 → 213 株 PDO (78% 建立率), 多组学配套覆盖形态 + 转录 + 突变 + 蛋白 + 药敏 5 维度
- PDO 建库成功 = 肿瘤高侵袭性的强信号 — HR 1.94 (p=0.04), 临床决策需注意 PDO 生物库的选择偏差 (倾向高侵袭性肿瘤)
- PDO 是 CRLM 可靠的体外替代 — 85% 形态保真 + PC2 ρ=0.82 转录一致 + p=0.98 突变分布一致; 但不可用于微环境研究
- 形态分型 (cystic vs solid) 是分子 + 药敏分型的简易代理 — H&E 一眼分型 → 预测 5-FU 耐药倾向 + afatinib 候选
- 患者内多灶点药敏异质性遵循层级规律 — 患者间 >> 患者内; 形态异质性 = 药敏异质性的快速预测器; 单点 PDO 药敏不能完全代表患者整体反应
- PDO 药敏对临床治疗选择有前瞻性指导价值 — Pt137 (ERBB2+ / lapatinib) + Pt160 (FOLFIRI 强敏感) 两案例验证 PDO 体外药敏匹配临床影像学反应
📖 文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Patient-derived organoids from metastatic colorectal cancer mirror tumor heterogeneity and predict patient survival and drug sensitivity |
| 中文标题 | 转移性结直肠癌患者来源类器官捕捉肿瘤异质性并预测生存与药物敏感性 |
| 期刊 | Cell Reports Medicine 7, 102840 |
| 发表日期 | 2026-06-16 (在线发表) |
| DOI | 10.1016/j.xcrm.2026.102840 |
| PMID | (待确认, 10.1016/j.xcrm.2026.102840 检索) |
| 第一作者 | Kushtrim Kryeziu (奥斯陆大学医院 / 奥斯陆大学肿瘤转化研究中心) |
| 通讯作者 | kushtrim.kryeziu@ous-research.no (K.K.) / r.a.lothe@medisin.uio.no (R.A.L.) |
| 样本类型 | 转移性结直肠癌 (mCRC) 肝转移 (CRLM) 患者来源类器官 (PDO) |
| 数据规模 | 132 例患者 / 213 株 PDO / 8 例多次肝切除 |
| 方法学 | 24 药 DSS 评分 + 多重免疫荧光 (12 蛋白) + HTA 2.0 + RNA-seq + 20 基因靶向测序 |
| PDF 来源 | 用户提供 PDF (本地副本 11.7 MB, 27 页) |
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|---|---|
| 原文 PDF | Kryeziu 2026 Cell Reports Medicine |
转发语: Cell Reports Medicine 重磅! 转移性结直肠癌 PDO 活体生物库: 213 株 + 7 维度多组学 + 24 药 DSS, 证实形态分型可预测药敏异质性, PDO 药敏对临床治疗选择有前瞻性指导价值 🧠⚡
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