肿瘤已经成为威胁人类健康的重大问题。根据国家癌症中心在2023年最新发布的统计数据，2016年我国新发恶性肿瘤病例较2015年增长约3.4%。此外，中国死因监测报告近10年的数据显示，恶性肿瘤一直是我国居民死亡的主要原因之一。放射治疗在肿瘤综合治疗中占据着举足轻重的地位，据统计，约70%的恶性肿瘤患者需要接受放射治疗，约40%可以通过放疗得到根治，治愈率仅次于手术治疗^[1]。放射治疗新技术的开发为攻克全球癌症难题提供了机会，但目前的临床前实验仍然存在成功率低、周期长和成本高等问题^[2]。缺乏合适的临床前实验模型最终导致放射治疗技术的发展受到严重制约。能够更加真实地模拟个体患者的肿瘤行为已成为目前临床前肿瘤模型开发最迫切的需求。

类器官是一种来源于成体组织干细胞或多能干细胞的体外3D自组装模型。类器官模型在可扩展性和保真度方面的出色表现恰好符合当前肿瘤模型开发的核心需求，因此这项技术未来有望成为研发放射增敏剂、预测放疗效果及制定个体化治疗方案的新平台。尽管目前类器官技术的发展还面临诸多挑战，比如肿瘤微环境缺失、成熟度不足等，但随着生物工程技术的飞速发展以及相关研究设备的更新换代，各项困难正在逐步得到解决。作为一项新兴培养技术，类器官的蓬勃发展已进入不可逆的进程。鉴于此，本文就近年来类器官在放射治疗领域的应用进展做一综述。

一、类器官的发展现状

类器官技术的应用可以归纳为两个主要方向：作为移植器官和作为实验模型。对于前者，已经有报道表明，包括肝脏^[3]、结肠^[4]、皮肤^[5]等在内的多种类器官，在实验动物体内成功存活并发挥功能，但这些成功的动物类器官移植成果尚不满足人体器官移植的严格要求，从相关研究转化到临床实际应用还有很长的路要走。相比之下，类器官作为实验模型的应用更为成熟，它已经在多个领域，包括疾病建模、药物研发、高通量筛选和个性化诊疗等方面展现出了巨大的应用价值。

过去10年，类器官技术实现了从单细胞到毫米级组织的发展。以“radiotherapy，radiation therapy，radiation treatment”+“organoid”(包括中英文)为关键词对PubMed和CNKI数据库进行检索，检索结果显示：截至2023年12月31日，PubMed和CNKI上收录的关于“放疗+类器官”的文章共计465篇，其中近90%的文章都发表于近5年，由此可见近些年类器官在放疗领域的迅猛发展，也表明了类器官在肿瘤个性化精准放疗领域的广阔前景。

二、类器官与传统实验模型的优劣势比较

以下是目前最常用的、最具代表性的肿瘤模型与类器官模型之间优缺点的对比。

1、细胞系

传统的二维体外单层细胞培养是当前最常见和最成熟的肿瘤模型之一。其显著的优势在于成本低廉，建立和维护相对简单，因此适用于高通量药物筛选。

尽管传统细胞系模型在癌症研究中具有广泛的应用，但其保真度和临床相关性一直备受质疑。这是因为细胞系模型缺乏肿瘤微环境，无法进行细胞-细胞和细胞-基质相互作用，这使得细胞系中得到的实验结果通常是对实际临床效果的夸大反映^[6]。其次，细胞系模型是单个细胞来源的单克隆产物，无法模拟现实中的肿瘤细胞多克隆所产生的异质性，故细胞系不能概括肿瘤的全部特征^[7]。虽然细胞系培养适应了实验室环境，操作简单，成本低廉，但可能偏离它们所代表的癌症，在保真度方面大打折扣。

2、CDX皮下荷瘤模型

细胞系来源的异种移植(cell line-derived xenografts, CDX)小鼠模型是近些年抗肿瘤药物临床前药效学评价最常用的动物模型。CDX模型的建立涉及将体外培养的人源肿瘤细胞系异种移植到免疫缺陷小鼠体内。通常采用传统的裸鼠(无胸腺)和严重联合免疫缺陷(severe combined immune deficiency, SCID)小鼠品系^[8]。移植方式主要分为皮下移植和原位移植。相对于原位移植的操作复杂性，皮下移植方便测量肿瘤体积，操作简单，成瘤率高，是最常见的选择。

然而，由于CDX来源于多次传代的细胞系模型，它们受到一些与单层二维细胞系相同的限制，例如肿瘤异质性的丧失和多次传代后生物学特征的变化^[9]。此外，免疫缺陷小鼠缺乏功能完整的免疫系统，因此，CDX在进行免疫肿瘤学相关课题研究上面临着相当大的挑战^[10]。最后，物种间药代动力学和药效学的差异也不容忽视，小鼠模型对临床疗效的预测能力往往较差。这些局限性严重限制了CDX模型在肿瘤研究领域的广泛应用。

3、类器官

类器官是源自原代组织干细胞的体外衍生3D细胞聚集体，它模拟了体内对应器官的部分结构和功能，可以视为类似于起源组织的“微型器官”^[11]。癌症类器官模型的建立方式主要是使用患者来源的肿瘤组织培养类器官(patient-derived organoids, PDO)，也可以通过CRISPR的基因编辑引入癌症相关基因，设计出癌症类器官模型^[12]。

与2D细胞系肿瘤模型相比，PDO表现出与亲代肿瘤组织更高的相似度。与体内动物模型相比，类器官的维护和扩增相对简单，能够用于高通量药物筛选。PDO还具备长期扩增和冷冻保存的能力，从而构建活体肿瘤类器官生物库^[11]。

然而，PDO仍然存在一些需要改进的方面。例如，模型成熟度不足、生长受限、缺乏肿瘤微环境、间叶组织肿瘤类器官模型尚未开发等问题^[13-15]。

总而言之，类器官技术融合了细胞系模型和CDX皮下移植模型操作简单、成本低廉、易于扩增和维护的优点，并且在保真度方面取得了巨大的突破。尽管还存在改进的空间，但PDO无疑是发展前景可观的转化应用工具，尤其是在实验室科研和临床个性化医疗领域。

三、类器官在放射治疗领域的前沿应用

目前大多数PDO模型是临床前癌症模型，用于研究放射治疗对肿瘤细胞的杀伤作用。还有一部分文献是基于患者来源的正常组织类器官，研究放射治疗对肿瘤周围正常组织的不良反应。

1、放射治疗对肿瘤组织的杀伤作用

根据PubMed数据库检索结果，使用类器官模型探究放射治疗抗癌疗效的文献大多聚焦于结直肠癌、食管癌、乳腺癌、胰腺癌这几个肿瘤类型。其他癌种由于类器官模型成熟度不足(如肝癌、肾癌、肺癌等)或类器官模型所涉及的文献主要聚焦于免疫治疗、化疗，对放射治疗的研究较为有限(如膀胱癌、前列腺癌、卵巢癌、宫颈癌等)在此不做赘述。

(1) 结直肠癌：鉴于目前结直肠类器官模型的构建方法在类器官研究领域已相对成熟，近年来越来越多的科研人员选择采用类器官技术来深入研究结直肠疾病。与此趋势相符，涉及结直肠癌类器官的放疗相关文献数量也显著增加。

科研人员通过类器官技术的应用，已经在结直肠癌放射增敏潜在靶点方面取得了显著进展。以Clifford等^[16]为例，除了运用经典的2D结直肠癌细胞系模型，还利用患者来源的直肠癌3D类器官模型来增加实验数据的可靠性。研究表明，抑制酸性神经酰胺酶的表达，可以激活p53介导细胞凋亡，从而提高放射治疗的敏感性。

以往的直肠癌的放射生物学研究仅限于细胞系、患者来源的类器官(PDO)或异种移植物。然而，Nicolas等^[17]提出了一种更为全面、复杂的方法，更有效地概括了肿瘤微环境。该方法涉及将转基因直肠癌类器官移植到免疫功能正常的小鼠直肠内，从而建立直肠癌临床前小鼠模型。随后，对这一类器官诱导的肿瘤动物模型进行精确的图像引导放射治疗。这一模型弥补了类器官缺乏肿瘤免疫微环境的缺陷，为深入研究直肠癌放射治疗相关的免疫调节机制提供了一个有价值的研究平台。为了克服类器官在模拟肿瘤微环境方面的限制，研究领域还出现了其他创新方法。举例而言，上海交通大学冯浩团队采用了一种整合性策略，将结直肠癌类器官与共培养技术相结合，以应对这一挑战^[14]，研究表明，除了通过直接照射杀伤癌细胞来实现疗效，放射治疗还能利用骨髓源性间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stromal cell, BM-MSC)的“归巢”效应，特异性地在肿瘤基质中上调TNF-α、IFN-γ等细胞因子的表达，从而实现对肿瘤微环境的重塑，间接增强结直肠癌的放射治疗效果。这些创新性的研究方法为充分理解放射治疗与肿瘤微环境之间复杂的相互作用提供了新的机会，有望为未来的放射治疗策略和临床应用提供重要的见解和突破。

(2) 食管癌：我国是食管癌高发国家，发病率居世界之首。食管癌是高度侵袭性的肿瘤，大约50%的患者在确诊时就已经出现转移。因此，相比于手术切除而言，放射治疗在中晚期食管癌的治疗上优势更加显著。

在食管癌放疗后转移的研究中，类器官凭借其对肿瘤生物学行为的高保真度，已成为备受研究人员青睐的选择。Dings等^[18]对患者来源的食管腺癌类器官进行了辐照和雌激素相关受体α抑制剂(estrogen-related receptor alpha inhibitor, ESRRAi)处理，然后重新铺板以测量生长能力。实验结果表明，ESRRAi可以有效抑制类器官放疗后的再生长。这是由于ESRRA作为放疗后介导线粒体上调和耗氧量增加的介质，通过进一步加重肿瘤局部缺氧环境，促进了放射抗性和肿瘤转移的产生。这一研究成果对食管腺癌放疗后复发及转移的治疗具有重要的指导意义。此外，Ebbing等^[19]研究发现，经辐照处理后的食管腺癌类器官出现了细胞迁移现象。其机制在于辐照引发了癌症相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts, CAF)的白介素6(IL-6)表达水平上调，从而诱导癌细胞的上皮-间质转化，导致食管腺癌放疗后出现放射抗性、转移等问题。

(3) 乳腺癌：作为乳腺癌综合治疗的重要组成部分，放射治疗在降低保乳手术和高危乳房切除手术术后复发率方面发挥了关键作用，同时也是晚期乳腺癌的重要姑息治疗手段。

类器官平台对乳腺癌放射抗性发生机制的基础研究起到了重要作用。为了深入研究细胞外基质(extracellular matrix, ECM)顺应性对肿瘤放射敏感性的影响，Drain等^[20]将可以精确调控基质生物力学特性的类器官模型纳入了实验方案。研究报告显示，坚硬的ECM环境能够通过激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)活性来增强细胞的凋亡，从而提高细胞的放疗敏感性。相反，软的ECM环境则通过增强核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)的活性，促使治疗抵抗的发生。这一研究为肿瘤放射治疗抗性的发生机制提供了一个新的解释，即放疗对ECM的软化和重建作用可能会增加治疗抵抗的风险。此外，Falcone等^[21]采用了患者来源的结直肠癌、乳腺癌和胰腺癌类器官模型，作为细胞系模型研究的延伸，以此来进一步验证细胞系实验结果的临床相关性。研究表明限制丝氨酸、甘氨酸摄入可以抑制肿瘤细胞抗氧化反应、核苷酸合成和三羧酸循环，从而达到放疗增敏的目的。这项研究从患者饮食结构方面对放射治疗提出了新的要求。

(4) 胰腺癌：胰腺癌是严重威胁人类健康且致死率极高的恶性肿瘤，5年生存率仅9%。近些年新兴的免疫治疗和靶向治疗在改善胰腺癌患者预后上整体表现并不理想，手术、放化疗仍然是胰腺癌的主要治疗方法。就胰腺癌而言，放疗被视为延长患者生存期和提高生活质量的重要措施之一。

胰腺癌放疗后间质纤维化导致的治疗耐受和肿瘤转移是长期困扰临床医师的重大难题。Mueller等^[22]利用立体定向放疗(SBRT)技术处理癌症相关成纤维细胞(CAF)-胰腺癌类器官共培养系统，发现放射治疗会上调CAF解整合素金属蛋白酶10(a disintegrin and metalloprotease 10，ADAM10)和肝配蛋白B2(ephrinB2)的表达，导致放疗后类器官的迁移能力和放射抗性增强。这一研究进一步阐释了CAF介导胰腺癌放射治疗后纤维化和上皮-间质转化的分子机制，对改善患者预后，提高胰腺癌生存率具有重要意义。

除此之外，科研人员还借助类器官平台，探索了一些胰腺癌放疗技术方面的创新点。据Nicosia等^[23]报道，高强度(1.5 T)静磁场可显著提高胰腺癌PDO的放疗敏感性，为未来深入研究强磁场放射治疗奠定了初步基础。

2、放射治疗对正常组织的不良反应

除了研究放射治疗对肿瘤组织的杀伤作用，在PubMed数据库的检索结果中，还发现一部分文献专注于利用类器官平台研究放射线对肿瘤周边健康组织的毒性效应，以期减少患者在接受放射治疗时出现的不良反应。

(1) 肠道类器官：放射性肠损伤主要是由于腹盆腔恶性肿瘤接受放疗而引起的肠道损伤，主要症状为粪便持续性带血、里急后重，严重可伴有肠穿孔。

近年来，研究人员已开始运用类器官技术探索对放疗中健康组织的辐射防护方法，并在老药新用方面取得了显著进展。最近，Nag等^[24]报道了传统抗风湿药金诺芬对健康肠道组织的放射保护作用。为了排除实验结果的物种间差异，研究人员在采用放射性肠损伤小鼠模型实验后，又引入人源性肠道正常组织类器官模型进行研究。报告显示金诺芬通过激活p53/p21介导的可逆细胞周期阻滞预防放射毒性。此外，通过类器官平台，治疗2型糖尿病的一线药物——二甲双胍，在放射防护方面的潜在价值也在近期被发现。Yang等^[25]对肠道类器官和抗生素清扫小鼠(antibiotic-treated mice, Abx mice)模型进行二甲双胍联合乳酸菌移植，结果显示二甲双胍具有卓越的辐射保护作用。二甲双胍通过提高肠道益生菌含量，激活肠上皮细胞中的法尼醇X受体(farnesoid X receptor, FXR)，从而进一步导致肠上皮中紧密连接蛋白和黏蛋白上调、杯状细胞数量增加以及黏液层增厚，维持肠道屏障的完整性，最终在Abx小鼠和类器官上表现出显著的辐射防护作用。这一发现提示，使用二甲双胍提高肠道益生菌含量，可能是治疗放射性肠损伤的潜在方案。

除了针对老药新用的研究，本综述还检索到了一些运用类器官移植技术治疗放射性肠损伤的突破性进展。Moussa等^[4]利用体外共培养系统扩增来自健康小鼠的结肠类器官和间充质基质细胞，随后将这些扩增产物解离并注射移植到放射性结肠炎模型小鼠的结肠辐射损伤区。由于间充质细胞分泌的骨塑形蛋白(BMP)拮抗剂具有促进类器官增殖的作用，共移植实验结果显示小鼠结肠的辐射损伤区再生恢复良好。这项研究提出的类器官移植疗法不仅适用于放射引起的病变，在其他肠道疾病的治疗上也有广阔的应用前景。

在医用纳米材料研发领域，类器官也是一项重要的实验模型。Han等^[26]借助类器官平台，揭示了CeO₂/Mn₃O₄纳米晶体的表面应变诱导高催化抗氧化剂的生成机制。这些抗氧化剂的生成有效保护了致命剂量辐射后的肠干细胞，减轻了辐射介导的活性氧(ROS)损伤。

(2) 唾液腺和味蕾类器官：头颈部肿瘤的放射治疗会导致唾液腺和味蕾功能受损和随之而来的口干症、味觉失灵等症状，这对患者的生活质量产生负面影响。

Peng等^[27]报道，采用更昔洛韦选择性地清除类器官中细胞周期抑制因子p16INK4a阳性的细胞可以有效提高辐射处理后的唾液腺类器官再生率。此外，复旦大学郭强团队通过射线处理过的味蕾类器官证明SIRT1抑制剂可显著提高放疗后味蕾类器官的存活率^[28]。这些发现对放射性口干症和味觉功能障碍的药物治疗具有指导意义。

3、正在进行的临床试验

除了前述已发表的文献研究，本综述还注意到在ClinictrialTrials.gov网站上注册了多项正在进行的临床试验(表 1)，这些试验采用类器官技术来评估放疗的临床疗效，为深入研究放射治疗领域提供了崭新的前景。

四、困难与挑战 1、成熟度不足

目前的类器官技术仍然不足以培养出功能结构健全，分化成熟的组织器官。成熟度不足是类器官研究的一大障碍。例如，尽管肝脏类器官具有来源组织的部分特异性功能，但与原代肝细胞相比，白蛋白分泌量较低，肝细胞特异性CYP450酶表达较低，这证明了目前的肝类器官并未完全分化^[29]。同样，目前的肾脏类器官和肺类器官功能也是不成熟的。肾小球毛细血管袢在类器官中大量缺失^[30]。而肺类器官的肺泡Ⅱ型上皮细胞(alveolar type Ⅱ epithelial cell，AT2)与正常人体的AT2细胞之间存在明显的转录和空间差异，如分泌性卷曲相关蛋白1(secreted frizzled-related protein 1，SFPT1)和表面活性蛋白B(Pulmonary surfactant-associated protein B，SFTPB)的表达水平与人类肺组织的相似性较低^[31]。

2、生长受限

生长受限是类器官培养目前经常遇到的问题。Rambani等^[32]观察到0.2 mm以上的细胞团往往无法通过扩散获得足够的氧气和营养。这将影响类器官存活，通过生物打印技术构建3D血管网络^[33]或者用海绵状支架^[34]代替基质胶，从而创造出更大的物质交换空间可能有望解决这一问题。

3、肿瘤微环境缺失

肿瘤微环境的缺失也是限制类器官应用于肿瘤学研究的一大因素，尤其是缺乏免疫细胞，这不仅严重影响了PDO的保真度，同时也导致类器官平台无法服务于放疗-免疫相关课题的研究。研究人员正在尝试通过共培养系统^[13-14]或CRISPR基因编辑技术^{[12, 17]}解决这一难题。

4、间叶组织肿瘤类器官模型尚未开发

目前大多数已建立的PDO肿瘤模型起源于上皮组织(癌)，而对于间叶组织肿瘤，例如肉瘤、白血病和淋巴瘤等仍存在大片的研究空白^[15]。

5、组织来源获取困难

与CDX模型相比，PDO来源于手术切除或者活检的新鲜活组织，组织收集相对困难。

6、缺乏标准规范

类器官模型近年来的飞速发展带来的负面后果是各种协议标准的相对滞后^[35]。目前，肿瘤组织来源和后续处理的具体操作缺乏详细统一的标准规范，这导致了类器官培养技术的监管不足和实验可重复性降低，同时也增加了临床高通量药物筛选、类器官移植的不稳定性^[36]。因此，建立国际统一的标准化指南对于类器官未来发展势在必行。

五、总结与展望

总体而言，类器官作为一个新兴肿瘤模型，很好地保留了原发肿瘤的特征，同时又避免了动物模型的成本高、操作复杂的缺陷，很好地兼容了二维细胞系模型和动物模型的优点。尽管还存在上述的一些局限，但这些问题在未来有望通过与其他生物工程技术相结合加以优化。例如利用微流控芯片连接多个不同组织类型的类器官，将人体作为一个整体，更加精准全面地研究放射治疗的远隔效应^[37]；用3D生物打印复刻出人体真实的肿瘤微环境^[38]；将CRISPR转基因技术结合类器官平台，研究肿瘤发生机制和治疗敏感性相关基因^[39]。除此之外，新型生物材料的深入开发也将助力类器官加速发展。新发现的聚合物水凝胶作为传统类器官培养基Matrigel的潜在替代材料，可以显著降低类器官培养的批次间可变性^[40]。相信未来类器官技术的完善与成熟，一定会为放射治疗的发展增添新的动力。

利益冲突  无

作者贡献声明  陈亮负责撰写论文；梁译尹、张巍巍、童姣姣协助论文修改；张火俊指导论文撰写及定稿