Nature—瑞士洛桑聯邦理工學院：光遺傳學的創新性結合揭示腸癌機制
在癌癥研究領域，如何精準模擬腫瘤發生的時空動態一直是未解難題。傳統的二維培養和動物模型要么缺乏生理復雜性，要么難以實時追蹤細胞變化。本文由瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Matthias P. Lutolf團隊主導，聯合瑞士癌癥研究所以及巴塞爾羅氏創新中心等機構完成，發表于《自然》（Nature）。通訊作者L. Francisco Lorenzo-Martín和Matthias P. Lutolf長期致力于干細胞生物工程與腫瘤微環境研究，其團隊開發的器官芯片技術在模擬組織生理復雜性領域具有國際領先地位。
研究團隊創新性地將微流控芯片技術、光遺傳學工具與組織工程方法結合，開發出具有拓撲生物學復雜性的體外微型結腸模型（mini-colons）。
重要發現
光遺傳學驅動的體外腫瘤發生模擬
光控Cre重組酶系統：從基因到表型的時空精準操控
研究團隊開發的OptoCre系統是一種基于藍光響應的基因編輯工具，其核心在于將Cre重組酶的表達與光信號耦合。該系統包含三個關鍵組件：
rtTA轉錄因子：組成性表達，與多西環素結合后激活下游元件；
GAVPO蛋白：在多西環素存在時表達，藍光照射下與Cre重組酶結合并激活其功能；
熒光報告基因：通過GFP標記突變細胞，實現單細胞水平的實時追蹤。
在實驗中，研究人員將OptoCre導入攜帶Apc、Kras、Trp53突變的結腸類器官（AKP模型），通過藍光照射（100μW/cm²，3小時）誘導特定細胞的致癌重組。結果顯示，藍光照射區域的細胞迅速啟動突變程序，而未照射區域保持正常，證明該系統具有亞細胞級的空間控制精度。
迷你結腸：光遺傳學與微流控技術的完美融合傳統類器官因結構封閉、壽命短，難以模擬腫瘤長期演化。而微流控迷你結腸通過支架引導的類器官形態發生，形成了類似體內結腸的開放管腔結構，具備三大優勢：
長期培養能力：無需傳代即可維持數周，允許觀察腫瘤從啟動到侵襲的完整時間線；
細胞空間分區：隱窩區域富集干細胞（Lgr5+、SOX9+），管腔側分布分化細胞（FABP1+），重現體內組織極性；
光信號穿透性：透明水凝膠支架允許藍光均勻照射，結合光掩膜技術可精準定位突變區域（如僅照射<0.5%的細胞）。
通過OptoCre與迷你結腸的結合，研究團隊首次在體外觀察到：
早期細胞競爭：突變細胞在藍光照射后24-72小時內經歷凋亡高峰，但少數細胞逃逸并進入快速增殖狀態；
腫瘤形態發生：從息肉樣結構（5-10天）逐步演變為侵襲性腫瘤，表達CD44+癌癥干細胞標記，與體內腺癌組織學特征高度吻合。
腫瘤異質性的光控解析利用光掩膜技術，研究人員對比了隱窩和管腔上皮細胞作為腫瘤起始位點的差異：
隱窩起源腫瘤：呈現致密結構，富含干細胞標記（Lgr5+、SOX9+），轉錄譜與體內癌癥干細胞高度相似；
管腔起源腫瘤：形成囊性結構，分化標記（FABP1+）表達較高，增殖能力較弱。
這一結果表明，腫瘤起始微環境決定了其形態和功能異質性，而光遺傳學技術為解析這種“環境-基因型”互作提供了可控平臺。
創新與亮點
技術突破：從“黑箱”到“透明實驗室”
傳統腫瘤研究依賴動物模型，面臨三大瓶頸：
時空分辨率不足：無法實時追蹤單細胞動態；
倫理與成本：動物實驗周期長、成本高，且難以大規模篩選；
生理相關性差：二維培養或簡單類器官無法模擬組織復雜性。
光遺傳學與迷你結腸的結合突破了上述限制：
時空操控革命：藍光照射可在分鐘級激活突變，配合延時攝影實現“腫瘤發生電影”的全程記錄；
生理相關性躍升：迷你結腸包含8種主要細胞類型，覆蓋干細胞、分化細胞和分泌細胞，其轉錄譜與體內結腸組織的相關性達89%；
高通量潛力：微流控裝置可并行培養多個迷你結腸，結合自動化成像系統，適合大規模藥物篩選。
科學價值：揭開腫瘤起始的“黑匣子”
該研究首次在體外復現了結直腸癌的多階段演化模型，并通過光遺傳學技術驗證了關鍵科學假設：
腫瘤起始的“細胞死亡-逃逸”假說：突變早期的細胞凋亡是清除異常細胞的關鍵機制，而逃逸細胞的克隆擴張依賴WNT信號通路激活；
代謝微環境的調控作用：通過光控誘導不同分化狀態的細胞，發現谷胱甘肽過氧化物酶GPX2是維持癌癥干細胞干性的關鍵因子，其抑制劑硫普羅寧可顯著抑制腫瘤形成；
菌群代謝物的遠程調控：利用迷你結腸的開放管腔，證實膽汁酸代謝物脫氧膽酸可通過管腔側接觸促進腫瘤生長，而丁酸等抑癌代謝物則通過相同路徑發揮作用。
總結與展望
光遺傳學迷你結腸模型的誕生，標志著腫瘤研究進入“精準操控”的新紀元。這項技術通過光信號將基因編輯、細胞追蹤與組織工程無縫整合，不僅在體外復現了腫瘤發生的時空復雜性，更賦予研究者“主動創造”腫瘤微環境的能力。盡管當前模型尚未整合免疫細胞與血管系統，且對多階段突變的模擬仍需優化，但它已在藥物篩選（如GPX2抑制劑驗證）、個性化醫療（患者類器官藥敏測試）等領域展現出顛覆性潛力。未來，隨著光遺傳學工具的迭代（如近紅外光激活系統）與類器官技術的升級（血管化、神經支配），這種“可編程”的體外腫瘤模型有望成為替代動物實驗的核心平臺，讓癌癥研究從“依賴偶然觀察”轉向“設計驅動發現”，最終為攻克腫瘤異質性與精準醫療提供關鍵鑰匙。
聲明：本文僅用作學術目的。
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.
