导读
肿瘤的发生和发展离不开肿瘤微环境中细胞及非细胞成分（如细胞外基质、癌相关成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞）提供的化学和机械信号。因此，构建能模拟体内癌细胞与细胞外基质、癌细胞与基质细胞相互作用的组织培养模型至关重要。三维（3D）肿瘤培养模型已被广泛用于研究癌症的发展与进展，其中从人类原发癌组织建立的患者来源肿瘤类器官（PDO）模型是近年来的重要进展。PDO能维持原发肿瘤的异质性，在识别治疗靶点和验证药物反应方面更具相关性；此外，3D共培养技术和整合到3D培养中的微流控技术也取得显著进步，为研究癌细胞与基质的相互作用、肿瘤进展及药物反应提供了时空视角。

本文由美国肯塔基大学的RenXu、XiaotaoZhou、ShikeWang和ChristineTrinkle共同完成，题为《Tumor organoid models in precision medicine and investigating cancer-stromal interactions》，发表于《Pharmacol Ther》。

重要发现
3D培养模型中的成像技术应用
研究团队开发了一套整合AI与经典图像分析的3D类器官分析流程，核心包括三个水平的分割技术：

细胞核分割：基于3DStarDist卷积神经网络（CNN）训练的DeepStar3D模型，通过模拟真实成像条件的数据集训练，能精准提取DNA染色图像中的细胞核表面。该模型适配不同分辨率、染色方式和成像模态，甚至低信噪比图像也能稳定工作，处理速度比同类模型快20%-70%，在普通笔记本上即可高效运行。

细胞分割：以细胞核轮廓为“种子”，结合actin染色的原始图像，通过灰度3D分水岭算法实现细胞质分割，在胰腺癌类器官等复杂结构中，误分割率低于8%。

类器官轮廓分割：基于原始通道图像，通过精细阈值调整和形态学滤波提取整体轮廓，为细胞定位和距离分析提供参考。

早在三十年前，Mina J Bissell 团队开发的 3D 类器官培养模型就通过成像技术揭示了乳腺上皮细胞的分化差异：正常乳腺上皮细胞在 3D 环境中（如胶原凝胶或 Matrigel）能形成具有极性的腺泡样球体，且表达乳蛋白，而恶性细胞则形成无序的葡萄状或星状结构，这一现象通过光学成像技术得到了清晰呈现，直观展示了 3D 培养模型对体内细胞表型的模拟能力。

在 PDO 模型中，成像技术是验证其与原发肿瘤一致性的关键手段。例如，乳腺类器官与原发及转移性乳腺癌在组织病理学、激素受体 / HER2 状态上的匹配，通过组织切片的光学成像和免疫组织化学（IHC）成像得到确认；结直肠癌 PDO 与原肿瘤的表型和基因型一致性，也通过荧光成像、基因组分析结合成像观察得以证实。这些成像结果为 PDO 作为原发肿瘤 “替身” 的可靠性提供了直接证据。

3D 共培养模型中，成像技术助力解析细胞间相互作用。在胰腺导管腺癌的 3D 共培养研究中，通过荧光标记癌相关成纤维细胞（CAFs）和 PDO，利用共聚焦成像技术观察到 CAFs 的两个亚型在空间分布上的差异：一种 αSMA 低表达的 CAFs 远离肿瘤细胞，且分泌 IL6 等炎症介质，这一发现为理解 CAFs 与癌细胞的异质性相互作用提供了可视化依据。在乳腺癌与脂肪细胞的 3D 共培养中，实时成像技术捕捉到癌细胞与脂肪细胞的物理接触诱导了上皮-间质转化（MET），清晰展示了细胞间直接作用对癌症进展的影响。

微流控设备与 3D 培养结合时，成像技术发挥着监测动态过程的重要作用。在研究循环肿瘤细胞（CTC）集群形成时，通过微流控平台的实时光学成像，发现 CTC 集群形成速度较传统活检富集更快，且化疗药物可抑制集群形成，为 CTC 的药物筛选提供了可视化的评估手段。在模拟肿瘤血管生成的微流控模型中，荧光标记内皮细胞，通过延时成像观察到血管样结构的形成过程，为研究肿瘤血管生成机制提供了直观的动态数据。

3D 成像技术驱动肿瘤微环境模拟研究
本研究的核心贡献之一是系统验证了 3D 肿瘤培养模型（尤其是 PDO）在模拟体内肿瘤特征中的价值，而光学与成像技术是实现这一验证的核心工具。通过光学显微镜观察 3D 培养中的细胞结构，发现正常细胞与癌细胞在 3D 环境中形成的结构差异（如乳腺上皮细胞的极化腺泡样球体与恶性细胞的无序结构），直接证明了 3D 模型对体内组织形态的复现能力，为后续研究奠定了形态学基础。

显示PDO模型在癌症生物学、药物测试和个性化医疗中应用的示意图

多维度成像解析癌症进展机制
在 PDO 药物测试实验中，研究团队结合光学成像与功能分析：对经不同药物处理的 PDO 进行细胞活力染色，通过荧光成像定量分析细胞存活状态，发现 PDO 对药物的反应与患者临床反应高度一致。例如，在晚期直肠癌患者的 PDO 中，通过成像观察化疗放疗后的细胞形态变化和存活情况，其结果与患者的临床应答匹配度极高，证实了 PDO 作为药物反应预测工具的可靠性。

在癌症-基质细胞相互作用研究中，采用双标荧光成像技术：用不同荧光标记癌细胞和基质细胞（如 CAFs、巨噬细胞），通过共聚焦显微镜观察两者的空间分布和接触模式。实验发现，巨噬细胞更易浸润到 3D Matrigel 中并黏附于非极化的恶性上皮细胞，而对极化的正常细胞无明显黏附，这一现象通过成像量化分析，揭示了免疫细胞与癌细胞相互作用的选择性，为理解肿瘤免疫逃逸机制提供了关键证据。

成像技术为精准医疗提供可视化依据
实验结论表明，光学与成像技术是连接 3D 肿瘤模型与体内肿瘤特征的 “桥梁”。通过成像技术证实，PDO 在结构、表型和药物反应上与原发肿瘤高度一致，可作为可靠的体外模型用于药物筛选和个性化治疗指导；3D 共培养结合成像技术能捕捉细胞间动态相互作用，揭示癌症进展的关键机制；微流控平台的成像监测则为研究肿瘤与循环系统的相互作用（如转移、血管生成）提供了全新视角。这些发现为基于 3D 模型的精准医疗研究提供了坚实的可视化实验依据。

创新与亮点
突破传统 2D 培养的成像局限
传统 2D 培养中，细胞呈单层生长，细胞间及细胞与基质的相互作用与体内差异显著，光学成像仅能观察到平面结构，无法反映细胞的三维极性和组织样结构。本研究通过 3D 培养模型突破了这一局限，利用 3D 成像技术捕捉到细胞的立体结构（如腺泡样球体的极性分布），首次在体外复现了体内肿瘤的结构特征，解决了 2D 模型无法模拟肿瘤三维微环境的难题。

多模态成像与 3D 模型的深度整合
本研究创新地将多种成像技术（如光学显微镜、荧光成像、共聚焦成像、实时成像）与 3D 培养模型（PDO、3D 共培养、微流控 3D 模型）结合，形成了多模态成像体系。例如，在 PDO 的基因组分析中，结合免疫荧光成像验证特定基因表达的空间分布，实现了基因型与表型的可视化关联；在微流控模型中，将流体动力学与实时成像结合，动态监测肿瘤细胞在流体剪切力下的行为，为研究肿瘤转移的物理微环境影响提供了新技术方案。

总结与展望
本研究系统阐述了 3D 肿瘤类器官模型（尤其是 PDO）在癌症研究和精准医疗中的进展，强调了光学与成像技术在验证模型可靠性、解析肿瘤微环境相互作用、指导药物筛选中的核心作用。3D 共培养、脱细胞基质和微流控技术的整合，进一步提升了模型对体内肿瘤特征的模拟能力。未来，随着成像技术的升级（如更高分辨率的实时成像、多靶点同时成像）和 3D 模型复杂度的提升（如整合更多基质细胞类型），这些技术将更精准地模拟肿瘤微环境，为高通量药物筛选、个性化治疗方案制定和癌症机制研究提供更强大的工具，为攻克癌症带来新的希望。

声明：本文仅用作学术目的。
文章来源于：
Xu R, Zhou X, Wang S, Trinkle C. Tumor organoid models in precision medicine and investigating cancer-stromal interactions. Pharmacol Ther. 2021 Feb;218:107668.

DOI:10.1016/j.pharmthera.2020.107668.