第一作者：吴焯然，曾炳轶

通讯作者：冯丽珊（Fong Li Shan）教授

通讯单位：新加坡国立大学生物医学工程系，设计与工程学院；新加坡国立大学 N.1 健康研究院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202512252

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在体外精准模拟或重建肿瘤微环境（TME）是深化肿瘤生物学认知并推动抗肿瘤疗法研发的关键。TME 复杂且高度个体化，使得在体外再现这一生物学环境—尤其是复刻肿瘤细胞与基质成分之间的相互作用—变得异常困难。得益于近年来生物材料、微流控器件与分子分析技术的快速进展，研究者已能构建出更为精确且有效的体外肿瘤模型，较好地复现肿瘤微环境中的生物学行为；这些模型极大推动了对肿瘤发生发展机制的理解，帮助发现了一系列新的肿瘤标志物，并建立起更可靠的临床前药物筛选平台。

然而，要更准确地预测患者对药物的反应，肿瘤模型必须更全面地重建体内微环境，尤其是肿瘤组织中癌细胞与基质细胞的三维空间分布以及相互作用——这一点仍是亟待攻克的难题。本文综述了如何选择合适的模型与模型构建的基本原则，并回顾了近年来从肿瘤模型的理论研究到临床转化应用的主要进展，重点关注源于患者的肿瘤类器官（PDTO）和肿瘤外植体（PDTE）相关的代表性工作。文章还详细分析了各类模型的优缺点与改进方向，特别强调了新型材料设计与创新对肿瘤模型研究的推动作用，旨在为该领域的研究人员提供实践性和指导性的建议。

背景介绍

肿瘤微环境（TME），尤其是癌细胞在三维空间中与其他细胞及非细胞成分间的动态相互作用，是决定肿瘤患者治疗反应和预后的关键因素。为实现精准治疗与个体化方案制定，亟需一种能够在体外高度模拟体内肿瘤微环境的模型，用于临床前药物筛选和疗效评估。过去数十年间，药物研发主要依赖传统的二维（2D）或三维（3D）细胞培养体系以及动物模型。然而，大量实践证明，这些传统模型往往难以准确预测临床诊疗效果，导致诸多在临床前阶段表现良好的候选药物在临床试验中以失败告终。现代生物学研究已明确这些模型的局限性。就细胞模型而言，其普遍缺乏组织层面的细胞间复杂作用。动物模型，尽管目前仍被广泛用于临床前药物筛选，其与人体在生理结构、免疫系统以及药物代谢通路等方面存在显著差异，同时周期较长、成本较高，限制了其在新药研发和个体化医疗中的应用价值，尤其难以及时、准确地为临床决策提供反馈。

突破上述瓶颈的关键，在于将患者来源的类器官（PDTO）或外植体（PDTE）引入体外模型的构建，并与功能化、生物相容性优良的支撑材料（如水凝胶）、微流控平台等技术相结合，同时融合多组学和空间成像等高通量分析手段，从而更真实地重建体内癌—基质复杂互作过程。与PDTO相比，患者来源的外植体（PDTE）能够更完整地保留原位肿瘤的多样性及其微环境成分，近年来相关研究迅速发展并引起广泛关注。

值得强调的是，构建高度仿生的体外肿瘤模型不仅依赖于先进的材料和技术，更取决于对肿瘤生物学的深入理解、对模型设计原则的精准把握，以及对多学科创新的有效融合。系统性评估模型的优缺点与持续优化同样至关重要。

为推动体外肿瘤模型的持续发展和创新，本文聚焦“癌—基质互作”主线，从模型选择与构建原则、癌—基质相互作用、生物学新发现到转化应用与药物开发四个方面，系统梳理了当前领域的最新进展，旨在为未来先进体外肿瘤模型的研发与临床转化提供理论支持和建设性见解。

图文解析

本综述系统梳理近年来体外肿瘤建模与癌—基质相互作用研究的最新进展，内容涵盖2D/3D 单细胞和多细胞共培养体系、肿瘤球/类器官（PDTO）、患者来源肿瘤外植体（PDTE）、以及不同模型如何有机结合新型生物材料和微流控技术。在此基础上，文章对比了不同模型在机制解析、药效评估与临床预测中的适配性、优势及应用范围。

文章图1将临床前肿瘤模型的应用目标归纳为四类：① 药理机制与基因调控研究；② 肿瘤微环境（TME）重建；③ 疗效与毒性评价；④ 特定癌—基质相互作用解析。针对不同方向选择适宜的体外肿瘤模型，对于提升临床前研究的有效性与可靠性至关重要。

图1. 面向不同研究问题与目标应用的肿瘤模型决策框架

肿瘤–基质共培养模型的构建主要有三类方法：首先，癌细胞和基质细胞（如成纤维细胞、内皮细胞、免疫细胞）共培养（co/tri-culture），即将两种或者三种细胞直接中 共嵌/接种在水凝胶等支撑材料中；其次，先让癌细胞生成肿瘤球（spheroids），后与基质细胞在水凝胶中 共培养；第三，癌细胞和基质细胞同时注入水凝胶，自发形成包含多细胞类型的类器官(organoids)。图2以免疫荧光成像展示了共培养模型中不同细胞的空间分布与形态，并罗列了近年来一系列具有代表性的肿瘤模型技术：如Transwell用于可分隔的旁分泌互作研究；可灌流微流控平台构建可控的剪切力与浓度梯度，支持并行药物筛选；孔板式 AngioTube系统通过内皮灌流诱导血管生成，用于解析肿瘤–内皮互作；PCL 纳米纤维双层模型实现分层结构与低氧/梯度环境的再现；3D打印GelMA 水凝胶支持可定制的三维结构与血管微通道；而MOS技术则实现了由患者肿瘤组织（含癌细胞与基质细胞）经酶解后自组装为微米级别肿瘤类器官，突破了传统 “两细胞” 配置，极大提升了模型的仿生性。综上，模型设计需在细胞、基质材料及培养环境三要素间灵活组合，在保证可重复性的前提下兼顾高通量与生理相关性，使肿瘤—基质互作的机制研究和药效评价更加贴近真实患者情境。

图2. 肿瘤–基质共培养模型构建策略举例

PDTO模型能够有效的保留原发肿瘤的遗传与部分表型特征。本综述系统梳理了在PDTO平台上癌细胞与基质或免疫细胞共培养中的互作：（1）癌相关成纤维细胞（CAF）促进肿瘤细胞增殖和耐药性提高。CAF 可由不同亚型（如 iCAF 向myCAF）分化，并在此过程中在多条信号轴上激活肿瘤细胞：包括分泌生长与分化相关因子（如EGF、R-spondins、Noggin）、激活Wnt/CK-17 和JAK/STAT 等通路，以及重塑胶原等细胞外基质。上述调控最终表现为肿瘤增殖上升和药物抗性上升。（2）内皮细胞通过参与构建血管化三维结构，分泌血管生成因子，推动肿瘤持续生长。在微流控条件下共培养内皮和肿瘤细胞时，可形成血管化肿瘤类器官，提升模型生理相关性。（3）肿瘤相关巨噬细胞（TAM）可促使肿瘤细胞获得干性和化疗耐受，塑造免疫抑制性微环境。例如胰腺癌中TAM通过 CCL5-AKT/Sp1/CD44轴增强干性并诱导吉西他滨耐受；结直肠癌共培养中，高SIRT1水平可增加TAM数量并抑制CD8⁺ T细胞功能，导致免疫逃逸。（4）自然杀伤细胞（NK）在与肿瘤细胞长期共培养过程中杀伤功能逐步被抑制，体现肿瘤主动调控固有免疫的能力。实验发现，肿瘤与NK细胞接触后，其关键杀伤标志（如CD16、CD57）逐步下调，随后这些NK细胞被排斥出肿瘤微环境。（5）树突细胞（DC）的抗原提呈功能在肿瘤微环境中被削弱，难以充分激活T细胞；近肿瘤区域通常存在未成熟DC，导致更多T细胞停留在“静息”状态。（6）在合适刺激下，T细胞可主动向类器官核心迁移并清除肿瘤细胞；如IL-2或抗PD-1治疗可增强肿瘤浸润T细胞的迁移和杀伤效应。（7） CD8⁺T细胞虽可释放 IFN-γ、TNF-α等效应分子来诱导肿瘤细胞凋亡，但肿瘤亦以膜蛋白转运（trogocytosis）等免疫逃逸机制对抗杀伤，降低治疗效果。由此，PDTO平台可系统性地解析肿瘤细胞与关键基质/免疫细胞间的空间互作，并揭示这些细胞间相互作用与肿瘤生长、耐药、免疫抑制和逃逸的关联。

图3. PDTO研究关键见解的示意图

相较于 PDTO 模型（常丢失原生基质与血管-免疫结构，且空间信息被重建或简化），PDTE一般直接源于手术切除的肿瘤或穿刺获取的样本，更能保持肿瘤及其微环境的高度完整性。通过震动切片机可将PDTE加工为0.4–5 mm直径、200–500 μm厚度的肿瘤薄片；这样的处理既可以尽可能保留细胞外基质（ECM）、局部血管、浸润免疫细胞等关键TME特征，又能最大程度的利用患者肿瘤产生更多的PDTE样本供后续实验使用。该模型可在数日内保留原位肿瘤—免疫互作信息，结合灌流培养与成像质谱（IMC）、空间多重成像（CODEX）等高通量成像分析，实现肿瘤三维空间免疫微环境的分析与研究。比如，以IMC/CODEX技术对福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）切片进行多重标记和生信分析，可识别并进一步解析肿瘤微环境中存在的细胞邻域（cellular neighborhoods；简称CNs）。细胞领域即由不同类型细胞以特定空间排列组合而成的功能微环境单元。

不同的CN类型和其空间分布往往影响着肿瘤组织的免疫活性状态、药物可及性以及治疗敏感性，因此是解释患者间、肿瘤异质性和应答差异以及预测疗效的核心基础。以淋巴瘤为例，空间多重成像揭示了6类CN，其中 DC 富集且肿瘤细胞稀少的 CN 更可能对免疫治疗产生应答，而免疫缺失或 CD163⁺ 巨噬细胞富集的 CN 往往提示着免疫逃逸倾向。在小细胞肺癌中，CODEX成像支持对细胞亚型进行判定，并揭示了癌细胞中ASCL1/NEUROD1/YAP1 双阳性或三阳性的亚型细胞（MPTCs）的比例升高预示着较差的临床结局。图中也系统地归纳总结了常用于CODEX空间组学分析的56个蛋白标记物，以及如何通过生信技术来分析通过CODEX得到的数据，并以此研究组织中的细胞邻域和它们的生物学重要性。综上，这些空间多重成像研究及对CNs的解读进一步凸显了PDTE模型在保留原位TME和预测临床诊疗结果的独特优势，为PDTE应用于新药研发及个体化治疗提供了坚实的理论支撑。

图4. PDTE+空间多重成像解析TME的应用

而近年来采用PDTE模型进行临床前测试的研究则进一步证实了其对临床药效的高预测能力。例如，Thommen 和其团队成员将肿瘤切片 （来自几种不同的癌）嵌入 Matrigel–胶原基质，成功维持了48h肿瘤的免疫微环境不变，并且以此精准区分抗 PD-1 治疗的应答与非应答 （相关研究在患者层面实现了100%预测准确率）。另一项研究聚焦在胶质母细胞瘤（GBM），利用GBM的PDTE同样有效地分辨出应答和非应答者，且揭示了应答者的外植体组织里在药物处理期间空间微环境发生重构以及免疫标志物发生变化。

值得注意的是，目前大部分PDTE相关研究普遍采用聚四氟乙烯插入体 （PTFE insert）作为肿瘤组织的支撑材料。尽管PTFE能够在一定时间内（通常小于48小时）维持外植体活性，其2D的培养方式极易引起外植体显著收缩和活性下降，不利于长时间组织培养，因此难以有效模拟临床环境下的多次用药和持续治疗过程。已有研究表明，这一收缩主要与肌成纤维细胞的肌球蛋白II活性有关。相较之下，采用工程化透明质酸（HA）水凝胶作为三维支撑基质，可显著减缓外植体的收缩，提升组织活性及模型稳定性，凸显三维培养体系的重要优势。

为实现PDTE模型的规模化应用与提高其实时诊疗评估的潜力，未来相关研究还可进一步整合多项先进技术，包括：孔板式微流控平台（实现定点加药和高通量并行测试）、低成本自动化机械臂（高效转移肿瘤切片）、以及基于适配体的电化学传感系统（实现芯片内对细胞色素c的实时监测）等。通过这些创新手段的有机整合，PDTE平台未来有望在高保真肿瘤培养、药效预测、高通量自动化和实时功能监控等方面实现协同发展，最终成为转化医学领域兼具临床预测能力与规模化扩展潜力的新一代体外药物检测平台。

图5. 使 PDTE 成为可预测、可复现、高通量的转化测药工具

总结与展望

基于上述讨论，临床前模型正由传统的 2D/3D 细胞培养与动物模型，逐步演进至PDTO 与 PDTE，以更高程度复现肿瘤TME的复杂性与异质性。不同类型的体外模型各有优劣与适用边界，因此在具体研究设计时，研究者应依据自身所要研究的科学问题进行分层和协同使用：2D模型适用于大规模药物初筛和剂量探索，3D细胞系模型则有助于在可控的实验条件下解析特定分子机制或信号通路；PDTO和PDTE更适于建立与临床高度相关的肿瘤生态系统，并在关键节点进行功能验证。然而，若要真正实现面向药物研发和个体化治疗的有效预测，模型最终必须在组织尺度上完整重建肿瘤微环境，而不仅仅是模拟肿瘤细胞本身。PDTO在该领域奠定了重要基础：其能够保留原发肿瘤的遗传信息和部分表型特征，跨多癌种的药效与患者治疗反应结果存在良好相关性。但PDTO仍有不可忽视的局限，包括免疫成分的缺失、原生ECM与空间结构的丢失或重排，以及流程标准化和并行扩展能力的不足。值得强调的是，现代生物学研究已充分揭示肿瘤组织内空间细胞分布及其微环境对患者治疗结局具有决定性作用，而PDTO难以完整保留这些空间及微环境信息。

相比之下，PDTE直接来源于患者原位肿瘤组织，能够最大限度地保留细胞外基质、局部血管结构及肿瘤浸润免疫细胞，从而以接近原位的空间组织关系在体外真实再现患者特异性的TME。依托这一独特优势，PDTE已被广泛应用于在短时间内评估肿瘤–免疫细胞互作、药物渗透性及局部药物分布，并在多种癌症类型（如黑色素瘤、头颈鳞状细胞癌、胶质母细胞瘤等）中展现出对免疫治疗反应的临床预测能力和个体化治疗指导价值。

若要进一步推动PDTE模型在药物筛选等生物医学应用中的落地，攻克以下难题是关键：首先，PDTE为有限量的患者肿瘤切片/组织，无法在体外持续增殖和传代，其活性及组织结构的完整性通常只能维持数日。此外，样本间及样本内的异质性亦对重复性和结果一致性提出挑战。针对这些问题，建议以“可预测、可复现、可扩展”为核心目标，通过生物材料设计（如可调刚度或可降解水凝胶）与灌流微流控技术重建体外力学和类血管环境，延长培养时限并支持免疫细胞迁移与物质交换；在必要时引入多器官体外系统（body-on-a-chip）以全面评估药代动力学、毒理学及远端免疫应答。目前PDTE多依赖手术或穿刺后短时间内的即时取材，这限制了大规模药物筛选和平台化应用。为应对这一现实难题，可以建立活体PDTE组织库，扩大样本基数以支撑大规模并行测试，并结合单细胞测序（scRNA-seq）与空间成像，实现细胞邻域（CN）分型及相关的生物标志物的开发，从而系统性地评价和优化模型准确性。

值得指出的是，模型的准确性提升不仅依赖于生物选材本身，还需要材料科学、微流控芯片工程及分子检测技术的有机整合，并引入可实现并行处理和实时监测的自动化工程解决方案，推动实验流程的标准化。这一领域的发展亟需跨学科协作，将肿瘤生物学、免疫学、材料学、工程技术和数据科学等多学科优势汇聚于同一技术体系，充分发挥各领域专长。最后，本文展望未来，通过对材料、模型与技术的持续优化与创新设计，体外模型将更精准地描摹TME的异质性，极大提升药物开发和个体化治疗的预测能力，加速科技成果转化，最终为患者带来实质性获益。

课题组介绍

冯丽珊（Fong Li Shan）教授课题组主页: https://www.ttelab.com/

原文信息

K. Z. Wu , B. Zeng , D. H. Seah , et al. “ Advances in In Vitro Modeling of Cancer-Stromal Interactions: From Fundamental Insights to Translational Applications.” Adv. Mater. (2025): e12252.