制药公司通常在培养皿的理想条件下测试分离的癌细胞上的药物。
然而，在生物体内，癌细胞在肿瘤微环境（TME）中茁壮成长，该环境包括宿主细胞、免疫细胞、分子和血管，癌细胞利用这些来破坏它们正常的抗肿瘤功能。
癌症与TME相互影响，呈现出许多潜在的治疗靶点，但在嵌入TME的癌细胞上大规模测试药物面临着许多实际和技术挑战。
Fred Hutch癌症中心系统生物学家Taran Gujral博士及其同事的一项新研究比较了在两种不同样本上测试药物的有效性：在培养皿中培养的传统癌细胞和Gujral称为"微肿瘤"的样本，后者包含癌细胞但也包含TME的关键元素。
他们对31种药物在微肿瘤上进行了测试，然后利用这些结果训练计算机模型来预测400多种其他化合物的可能反应。
上周发表在《Cell Reports Medicine》杂志上的这项研究表明，在培养皿（二维环境）中效果良好的一些药物在更真实的微肿瘤（三维环境）上的效果较差。
令人惊讶的是，该模型预测，平均而言，针对三维微肿瘤有效的药物数量是针对传统培养皿中生长的癌细胞有效药物数量的三倍。这出乎意料，因为在二维培养条件下，癌细胞快速倍增，这应该对靶向快速生长的药物有利。
"我们一直认为在二维环境中找到的有效药物会比在三维环境中多，"共同第一作者、Gujral实验室人类生物学部门的前博士后研究员Nao Nishida-Aoki博士说。"但真正让我们惊讶的是，事实恰恰相反。"
她现在在东京早稻田大学早稻田高级研究所运行自己的项目。
在研究的第二部分，他们专注于屏幕显示的一种有前景的药物——doramapimod，或称dora，他们确认该药物在培养皿中的癌细胞上无效，但在微肿瘤上有效。
Dora更广为人知的是其对抗类风湿关节炎的潜力，但通过弄清楚dora的工作原理，Gujral的团队获得了关于TME如何支持癌症的新见解。
他们的发现表明，许多最初通过使用培养的癌细胞系的传统二维屏幕被判定为无效的药物可能具有未开发的潜力，这种潜力可以通过更好地理解癌症与TME之间复杂关系来实现。
"几十年来，我们一直在二维环境中筛选药物，"Gujral说。"我们可能错过了很多东西。"
最大化利用微肿瘤
可以在实验室中不断生长和分裂的癌细胞系，如1952年建立的著名HeLa细胞系，已经推动了几代生物医学研究，并引发了关于同意和隐私的广泛辩论和持久的政策变化。
这些细胞系被称为"永生"的，因为它们可以在培养中无限生长，为产生大量数据的大型实验提供了持久、丰富且具有成本效益的平台。
但仅在分离的癌细胞上测试药物会错过生物体内癌细胞周围的茧——TME——其中包括非恶性宿主细胞和免疫细胞，以及非细胞成分，如血管和传递生长信号并为肿瘤及其在体内的生态位提供结构的分子。
TME与肿瘤共同进化，并创建绕过抑制癌症生长和扩散的疗法的工作方式，当肿瘤产生耐药性时，迫使临床医生重新思考。
"Gujral说："肿瘤不仅仅由癌细胞组成。药物在培养皿中可能有效，但在小鼠或人体内不一定有效。这是因为环境非常不同。"
Gujral和其他研究人员开发了一种新的体外研究和药物测试模型系统，更接近癌细胞在体内的生存方式。
这种方法将包含TME关键元素的薄肿瘤切片堆叠起来，形成Gujral所谓的"微肿瘤"，这些微肿瘤可以从新鲜肿瘤样本快速制备。
微肿瘤更真实地代表了癌细胞在其原生环境中的状态，但它们寿命短，无法像传统细胞系那样生产出足以支持大型实验的数量。
为了充分利用其寿命短且供应有限的肿瘤切片，Gujral的团队测试了一小部分已知可阻断称为激酶的酶活性的药物，这些酶有助于调节细胞生长、分裂、代谢和存活。
然后，他们利用这些结果训练计算机模型，预测400多种处于临床使用开发不同阶段的其他激酶抑制剂（包括FDA已批准的药物）可能的反应。
"Gujral说："我们在二维中发现有效的药物在三维中也有效，但有一些定量差异。"
例如，如果一种药物在二维模型中将癌细胞生长减少了50%，那么在三维模型中可能只能减少40-45%。
"它仍然有效，但效果不那么好，"Gujral说。
然而，他们惊讶地发现，该模型预测，可能在三维微肿瘤上有效的药物数量是培养皿中培养的传统二维细胞系的三倍。
"Gujral说："这些药物可能靶向在培养皿中培养细胞时不存在的其他细胞，也可能这些药物靶向处于不同状态的癌细胞。"
在培养皿中，分离的癌细胞获得充足的食物并在理想条件下生长。但在其自然状态下嵌入TME中时，它们可能在与其他类型细胞竞争时面临更多压力，这可能使它们比在培养皿中更容易受到药物的影响。
研究小组选择了十几种预测在三维微肿瘤中效果更好的药物，并在三种不同的小鼠模型中进行了测试。其中一种药物表现特别有前景：doramapimod。
"Gujral说："Dora是一种实际上已经通过了人体安全试验并在临床试验中用于非癌症疾病（如类风湿关节炎和其他适应症）的药物，但它没有通过有效性试验。它是一种安全的药物，但由于在二维模型中无效，以前从未在癌症中测试过。"
但不知何故，dora对微肿瘤确实有影响，Gujral的团队想知道原因。
用dora探索TME
"我们首先检查的是dora是否对癌细胞有效。不，它不杀死癌细胞，"Gujral实验室的实验室经理、该研究的共同第一作者Songli Zhu博士说。"然后我们观察dora对肿瘤的作用。"
他们发现，在坚韧、纤维化的肿瘤中，dora通过减少帮助TME结合在一起的复杂分子的产生，使TME对癌症变得不那么友好。
"Gujral说："我们发现它对肿瘤中的基因影响不大，除了改变胶原蛋白或我们所说的细胞外基质蛋白。"
这很有趣，因为将TME结合在一起的细胞外基质可以保护癌细胞免受免疫疗法或化疗的影响。通过抑制这些蛋白质的产生，dora可能正在软化这种屏障，这可能使癌症更容易受到治疗。
这些分子还产生抑制免疫系统的信号，因此当dora阻断它们时，它为免疫系统提供了对抗肿瘤的机会。
它们还参与向肿瘤传递生长信号，dora抑制这些信号。
Gujral的团队发现，在小鼠和人类肿瘤中，dora与其他疗法结合使用时最有效。
"Gujral说："我们在3D模型中发现，dora实际上作为单一药物也有一定效果。但在论文的后面部分，我们展示了如果将dora与化疗和免疫疗法结合使用，效果非常好。"
这种组合对乳腺癌和胰腺癌特别有效。
"我们确实看到了肿瘤生长的抑制，"Fred Hutch高级科学家Marina Chan博士说，她也是该研究的共同第一作者。
这项研究为进一步研究开辟了许多可能性，包括更好地了解在TME中发生的情况，这些情况降低了在培养皿中分离的癌细胞上效果良好的药物的有效性。
研究小组现在正在将这种方法应用于直接从患者身上筛选FDA批准的药物，用于罕见和难以治疗的肿瘤，为传统方法经常失败的地方提供识别有效疗法的途径。
这项工作得到了国家癌症研究所、癌症中心支持补助金和乳腺癌研究基金会（BCRF-17-035）的资金支持。Nao Nishida-Aoki获得了Fred Hutch跨学科培训补助金双重导师癌症研究奖学金和JSPS海外研究奖学金的支持。这项研究还得到了Fred Hutch/华盛顿大学癌症/西雅图儿童癌症联盟的比较医学、细胞成像和实验病理学共享资源的支持。
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