Cell Stem Cell | 慢性胰腺炎类器官平台揭示导管功能障碍和CFTR调节剂的反应

撰文|章台柳

胰腺炎是一种炎症性疾病，可从急性阶段进展为慢性阶段。超过30万美国人和全球300万人患有慢性胰腺炎（CP）。CP的特征包括胰腺萎缩、纤维化、外分泌功能不全、糖尿病和顽固性疼痛。目前的治疗主要是支持性的，往往无法改变疾病进程，有时需要通过部分或全部胰腺切除术等外科干预来进行疼痛管理。CP的病因来源于多种环境和遗传因素。它使用毒性-代谢性、特发性、遗传性、自身免疫性、复发性及重症急性胰腺炎、以及梗阻性（TIGAR-O v.2）框架进行分类。导致CP发展的最常见因素包括吸烟（46%–60%），胆结石（14%–37%），酒精（7%–34%）和遗传因素（10%），但28%–80%的病例仍属于特发性。遗传性CP与PRSS1(68%–80%)、SPINK1(1%–8.8%)、CFTR(10%–37%)以及其他基因的致病性种系突变有关。

胰腺炎的起始可追溯到腺泡细胞和导管细胞的功能障碍。PRSS1和SPINK1突变导致消化酶过度激活，从而引起腺泡细胞损伤和炎症。突变、酒精、烟草、甲状腺功能减退和钙水平升高会破坏胰腺中的碳酸氢盐 (HCO3−) 分泌，主要通过CFTR转运到管腔中。高容量的HCO3−转运对于粘蛋白产生至关重要，可将消化酶冲刷至十二指肠，防止消化酶过早激活，并中和来自胃的酸性食糜。导管细胞通常每天分泌1–2升140 mM的碳酸氢钠，彰显导管离子转运在胰腺稳态中的核心作用。与遗传性CP相关的CFTR变异通常是杂合的，选择性地损害碳酸氢盐而不是氯化物的传导。这些特征不同于囊性纤维化，可能反映了CFTR的生物学功能具有器官特异性差异。与此一致的是，在对遗传性CP病例进行全面的基因分型时，在相当一部分病例中发现了CFTR改变，且在特发性CP也观察到CFTR的改变。总而言之，这些观察结果表明，CFTR 依赖性HCO3−分泌受损可能是以前认为的更广泛的CP亚群的基础，并代表了一个引人注目的治疗靶点。

在有2,000多个CFTR突变被注释的情况下，大多数CFTR变异对调节剂的反应是未知的。即使在囊性纤维化患者中，对CFTR疗法的反应也差异很大，这表明仅凭基因型不足以预测功。在遗传性CP中，对CFTR调节剂反应的理解更加有限。对其的研究进展受限于模型，小鼠 CFTR 对人类优化调节剂的反应不一致，且小鼠胰腺HCO3−分泌与人类不同，在胰腺分泌物中仅达到50 mM，与人类生理学的相关性较差。

患者来源的类器官(PDO) 已成为研究人类胰腺生物学的变革性模型。PDO可以以极高的效率从正常人类胰腺和胰腺导管腺癌(PDA) 中生成。这些类器官是可扩展的、可冷冻保存的，并保持遗传和转录保真度，从而能够进行深入的功能分析。在PDA中，PDO重现了疾病特征，能够预测治疗反应，并揭示耐药机制。尽管PDO缺乏原生微环境，但保留显著的临床预测能力。CP的PDO模型仍然很少见，其生成效率、分子保真度和转化潜力仍然未知。

近日，Salk Institute的Dannielle D. Engle团队在Cell Stem Cell杂志上发表文章Patient-derived organoids reveal ductal dysfunction and CFTR-modulator responses in chronic pancreatitis，开发了一个慢性胰腺炎的PDO平台来研究疾病的分子发病机制并确定治疗策略。分别从特发性、遗传性和酒精相关性CP患者中生成37个PDO，这些PDO具有高度的遗传一致性。PDO保留与炎症相关的转录和蛋白质组学特征。转录组分析揭示了三种独立于病因的CP分子亚型。在一半的CP PDO（包括具有野生型CFTR的PDO）中， CFTR存在广泛的功能障碍。临床可用的CFTR调节剂可稳定突变型或野生型CFTR，恢复CFTR功能，并减少有丝分裂原和炎症信号传导。这项工作为CP建模提供了一个全面的PDO平台，并展示了该平台在精准治疗研究中的实用性。

研究人员收集了51份CP手术标本，包括特发性CP（43%）、遗传性CP（35%）以及酒精、梗阻性和其他罕见病因。其中24份接受了基因检测，在CFTR (20%, n = 10)、PRSS1 (14%, n = 7) 和SPINK1 (12%, n = 6) 中报告了致病性变异。大多数CP标本是在全胰切除术伴自体胰岛移植（TPIAT，69%) 后获得的，其余来自部分胰腺切除术 (27%)，以及在部分胰腺切除术期间获得的2份胰液标本 (4%)。胰腺切除术标本是在切除后2小时内获得的，具有完整的实质，但通常严重灼伤。TPIAT标本被部分解离，然后在手术后通常24-48小时接收，通常伴有实质破坏。当有足够的完整组织可用时，一部分标本被固定用于组织学评估，病理学家确认具有经典的CP特征，包括实质萎缩、纤维化和导管异常。纤维化评分和胶原沉积定量显示大量的促纤维增生反应，一些标本中几乎没有剩余的腺泡上皮组织。培养1-7天后可观察到类器官，并且每4-7天可传代一次，可传代12-25次，这与正常胰腺（NP）类器官的传代潜力相似。PDO生成效率约73%，即在达到评估标准的51个样本中，有37个产生了PDO细胞系。失败的可能原因有：组织到达时已被冷冻、广泛烧灼或主要由纤维化组成，导致缺乏可行的上皮细胞。TPIAT标本的PDO生成效率（80%）高于部分胰腺切除术样本（56%）。CP类器官表现出一致、均质的囊性形态，具有单层细胞结构。类器官的形态、传代时间和传代潜力在不同CP病因之间没有差异。CP PDO由快速分裂的导管上皮细胞组成。未观察到NP和CP PDO之间增殖的任何差异，这与先前关于这种培养条件支持NP 和PDA PDO之间高水平增殖的发现一致。

研究人员通过全基因组测序（WGS）、全外显子组测序（WES）或靶向测序对匹配的原代的PDO样本进行基因组分析，来评估PDO的遗传保真度。使用WGS比较了超过900万个单核苷酸多态性（SNP）和近200万个插入缺失（indel），结果显示14对PDO和原代组织之间的平均匹配率为98%，组内相关系数（ICC）为0.96。通过WES比较了超过80,000个SNP和7,000个插入缺失，显示平均匹配率为91%，6对PDO和原代组织之间的ICC为0.83。这些数据证明了患者匹配的原代组织和PDO之间具有高度的遗传一致性。同时，研究人员对与遗传性胰腺炎相关的14个基因的种系变异进行分析。不仅所有临床注释的PRSS1、SPINK1和CFTR种系变异都保留在PDO中，而且检测出一些未注释的突变。更重要的是，CP是发生胰腺癌的危险因素，一些遗传性CP患者的终生风险高达55%。PDO平台能够识别存在于少量上皮细胞中的潜在体细胞致癌变异，而这些变异会被原代组织的低上皮细胞度所掩盖。即CP PDO模型可能有助于识别进展为PDA风险较高的患者。

为了解析CP PDO中差异表达的转录组特征，研究人员对24个CP、9个NP和4个正常邻近肿瘤（NAT）PDO进行RNA-seq。与NP和NAT PDO相比，CP PDO具有独特的转录组特征。GSEA显示， CP PDO在与炎症反应、通过NF-κB的TNFα信号传导、KRAS信号传导、上皮-间质转化（EMT）和 TGF-β信号传导相关的基因集中富集，同时氧化磷酸化受到抑制。且CP PDO表达更高水平的纤维化和炎症细胞因子相关基因（例如，COL1A1、TGFB2、IL1A和CSF1），这表明CP PDO维持了CP患者中存在的纤维化和炎症程序。使用免疫印迹（IB）来评估PDO模型中与胰腺炎相关的蛋白质和聚糖水平，以及促有丝分裂和炎症信号传导，并在具有代表性的匹配原代患者样本上进行免疫组化 (IHC) 验证，发现CP类器官重现了原代组织样本的蛋白质表达，并表现出升高的炎症和促有丝分裂信号传导。

最后，研究人员构建了评估CFTR功能的实验体系，对PDO进行测试。令人震惊的是，测试的9个PDO中有5个表现出CFTR功能障碍，包括2个不携带致病性CFTR改变的PDO。使用临床可用的CFTR调节剂进行治疗恢复了导管功能并抑制了促炎和促有丝分裂信号传导，这表明CFTR调节可能使广泛的CP患者群体受益。

综上，这项研究建立了慢性胰腺炎的患者来源类器官培养体系，这些类器官保留了疾病特征，有助于分子机制的研究和预测疾病进展生物标志物的发现。同时发现了超越遗传变异的CFTR功能障碍，使用临床可用的CFTR调节剂可进行功能挽救，为探究胰腺炎生物学和开发靶向干预措施提供了一个精准医疗框架。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2026.06.002

制版人： 十一

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