研究團(tuán)隊(duì)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�物學(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(dòng)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(shí)空精準(zhǔn)操控
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的OptoCre系統(tǒng)是一種基于藍(lán)光響應(yīng)的基因編輯工具，其核心在于將Cre重組酶的表達(dá)與光信號(hào)耦合。該系統(tǒng)包含三個(gè)關(guān)鍵組件：

rtTA轉(zhuǎn)錄因子：組成性表達(dá)，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(shí)表達(dá)，藍(lán)光照射下與Cre重組酶結(jié)合并激活其功能；
熒光報(bào)告基因：通過GFP標(biāo)記突變細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平的實(shí)時(shí)追蹤。

在實(shí)驗(yàn)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(lán)光照射（100μW/cm²，3小時(shí)）誘導(dǎo)特定細(xì)胞的致癌重組。結(jié)果顯示，藍(lán)光照射區(qū)域的細(xì)胞迅速啟動(dòng)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(jí)的空間控制精度。

通過OptoCre與迷你結(jié)腸的結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)首次在體外觀察到：

早期細(xì)胞競爭：突變細(xì)胞在藍(lán)光照射后24-72小時(shí)內(nèi)經(jīng)歷凋亡高峰，但少數(shù)細(xì)胞逃逸并進(jìn)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(dá)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。

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(tái)。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
技術(shù)突破：從“黑箱”到“透明實(shí)驗(yàn)室”
傳統(tǒng)腫瘤研究依賴動(dòng)物模型，面臨三大瓶頸：
時(shí)空分辨率不足：無法實(shí)時(shí)追蹤單細(xì)胞動(dòng)態(tài)；
倫理與成本：動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(shí)空操控革命：藍(lán)光照射可在分鐘級(jí)激活突變，配合延時(shí)攝影實(shí)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(dá)89%；
高通量潛力：微流控裝置可并行培養(yǎng)多個(gè)迷你結(jié)腸，結(jié)合自動(dòng)化成像系統(tǒng)，適合大規(guī)模藥物篩選。

科學(xué)價(jià)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(yàn)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?cè)缙诘募?xì)胞凋亡是清除異常細(xì)胞的關(guān)鍵機(jī)制，而逃逸細(xì)胞的克隆擴(kuò)張依賴WNT信號(hào)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(yuǎn)程調(diào)控：利用迷你結(jié)腸的開放管腔，證實(shí)膽汁酸代謝物脫氧膽酸可通過管腔側(cè)接觸促進(jìn)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(jìn)入“精準(zhǔn)操控”的新紀(jì)元。這項(xiàng)技術(shù)通過光信號(hào)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(shí)空復(fù)雜性，更賦予研究者“主動(dòng)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(duì)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(yàn)證）、個(gè)性化醫(yī)療（患者類器官藥敏測(cè)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(jí)（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(dòng)物實(shí)驗(yàn)的核心平臺(tái)，讓癌癥研究從“依賴偶然觀察”轉(zhuǎn)向“設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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.