编者按

当前，结直肠癌(CRC)是全球第三大常见癌症，也是癌症相关死亡的主要原因。大多数手术术后可能存在循环肿瘤细胞或无法检测的微转移，目前在临床实践中缺乏预测治疗反应的检测方法，因此，癌症患者通常要经历几轮试错才能找到最有效的治疗方法。

今天，我们分享2024年6月5日由葡萄牙尚帕利莫基金会(Champalimaud Foundation)研究团队在《Nature Communications》杂志上发表的最新研究，该研究在之前的基础上IF=16.6丨Nature子刊：在结直肠斑马鱼异种移植模型中揭示先天性免疫逃避现象，进行了一项临床研究，以验证斑马鱼患者来源的异种移植模型（zAvatar）作为结直肠癌个性化治疗的快速预测平台。

斑马鱼异种移植模型由患者肿瘤细胞生成，接受与其对应患者完全相同的治疗，并在单细胞分辨率下进行分析。通过比较55名患者的临床反应与其zAvatar测试结果，研究人员开发了一个整合了肿瘤分期、zAvatar细胞凋亡和zAvatar转移潜能的决策树模型。该模型可预测结直肠癌患者对化疗的临床反应，准确性达91%，且具有敏感zAvatar测试结果的患者与具有耐药测试结果的患者相比，表现出更长的无进展生存期，因此，zAvatar可以作为一种快速的预测方法来指导临床决策，优化治疗方案并提高癌症患者的生存率。

文章题目

Zebrafish Avatar-test forecasts clinical response to chemotherapy in patients with colorectal cancer

杂志：Nature Communications（IF=16.6）

发表时间：2024年6月5日

作者：Bruna Costa, Marta F. Estrada, Ana Marreiros & Rita Fioret et al.

单位：葡萄牙尚帕利莫基金会(Champalimaud Foundation)等

01、研究亮点

• 开发并验证了斑马鱼异种移植模型（zAvatar） 可作为预测结直肠癌（CRC）患者化疗反应的快速、敏感的个性化医疗体内筛选平台；

• 通过将55名患者的临床反应与其zAvatar测试结果进行个体比较，开发了一个综合了肿瘤分期、zAvatar凋亡和zAvatar转移潜力决策树模型，显著提升了预测性能；

• 斑马鱼异种移植模型能够预测91%的患者病情进展，与那些测试结果耐药的患者相比，zAvatar测试敏感的患者表现出更长的无进展生存期。

图形摘要

02、研究背景

结直肠癌（CRC）是全球第三大常见癌症，也是癌症相关死亡的主要原因之一。尽管大多数手术旨在治愈，具有转移性疾病高风险因素的患者，能从术后全身治疗中极大获益，以降低复发和疾病进展的可能性，但术后仍可能存在循环肿瘤细胞或无法检测到的微转移灶。

5-氟尿嘧啶（5-FU）、亚叶酸及伊立替康（FOLFIRI）或奥沙利铂（FOLFOX）是晚期或转移性结直肠癌（mCRC）的标准化疗方案，这些方案通常被认为是可互换的，并且在引入口服活性FU样药物，如卡培他滨时存在CAPOX（卡培他滨+奥沙利铂）、CAPIRI（卡培他滨+伊立替康）等组合变体。在过去15年中，单克隆抗体，如西妥昔单抗或贝伐珠单抗，也被纳入一线化疗方案。

随机临床试验表明，FOLFOX和FOLFIRI是晚期CRC治疗的等效选择，其平均缓解率（RR）相似，范围在34%至55%之间，意味着大约45%至66%的患者对治疗无反应。如果患者以FOLFOX作为一线治疗但无临床反应，可以切换到FOLFIRI，反之亦然。在此过程中，许多患者遭受了不必要的副作用，并失去了宝贵的治疗时间。此问题不仅限于CRC，也同样出现在许多其他类型的癌症中，指南中有几种“等效”的治疗方案可供选择，但缺乏可靠的预测性检测来预测结果并辅助临床决策过程。因此，目前的癌症分子和遗传生物标志物在可靠预测治疗结果方面，已被证明存在许多不足。

研究表明，即使是基因相同的CRC细胞也可能对治疗有不同的反应，许多癌症患者无法从基因组精准医学中获益，其原因可能包括缺乏可靶向的突变、针对特定有前景靶点的有效药物不足，以及不同肿瘤亚克隆与肿瘤微环境间可能发生的遗传相互作用等。因此，将精准医学与功能性测试相结合，对更精准的个性化医疗至关重要。

本研究开发并验证了患者来源的斑马鱼异种移植模型（zAvatar） 可作为预测结直肠癌（CRC）患者个性化治疗的快速预测平台。zAvatar是通过将荧光标记的患者肿瘤细胞注射到斑马鱼胚胎中生成的，并以单细胞分辨率进行分析，其保留了肿瘤微环境的复杂性，能评估转移潜能（在斑马鱼中观察微转移）和血管生成等关键体内过程，这是体外模型（如类器官、球体）难以实现的，而且，结果在10天内就可以获得，与临床决策时间窗兼容。

先前的研究已经表明，zAvatars可以预测患者的临床结果。尽管前景光明，但这些结果是从有限的患者中获得的。因此，更大规模的临床研究对验证zAvatars用于预测个体治疗反应至关重要。

因此，本研究开展了一项共临床研究的结果，将55名CRC患者的化疗临床反应分别与相应的zAvatar测试结果进行了比较。实验数据表明，zAvatar测试成功地预测了55名患者中50名的结果，预测了全身治疗后无进展/疾病稳定或疾病进展。

多变量分析显示，患者的肿瘤分期、zAvatar转移潜能和zAvatar细胞凋亡倍数变化这三个特定参数是患者临床反应最重要的预测因子。将这些变量整合到决策树算法中，zAvatar测试实现了91%的阳性预测值（PPV）和90%的阴性预测值（NPV），证明了该模型在反映患者结果方面的保真度。因此，斑马鱼异种移植模型可以作为一种快速工具来指导临床决策，优化当前的治疗标准，并提高许多癌症患者的无进展生存期。

03、研究结果

1. zAvatars细胞凋亡预测患者对治疗的临床反应

为了评估斑马鱼异种移植模型的预测能力，研究人员进行了一项共临床研究，将患者的化疗临床反应分别与其对应的zAvatar测试进行比较（图1），成功地在55名患者中进行了zAvatar测试，技术成功率为70%。

随后，通过绘制每位患者的zAvatar平均凋亡诱导倍数发现，与进展患者的zAvatars相比，无进展患者的zAvatar在治疗后表现出明显更高的活化caspase3诱导(图2a, p < 0.0001)。与进展患者的zAvatars相比，无进展患者的zAvatars在治疗后显示出更高的凋亡FC (p = 0.0363和p = 0.0099)(图2b, c)，zAvatars中凋亡FC与患者对治疗的反应之间的强大相关性，无论肿瘤分期如何。

为了检验zAvatar-test分离临床敏感性和耐药性的能力，使用平均细胞凋亡折叠变化进行了受试者工作特征(ROC)分析(图2)。曲线下面积(AUC)为0.839 (p < 0.0001)，截断值1.34被确定为最佳阈值，显示出最高的特异性和敏感性(图2e)。在27个敏感的zAvatar试验中，25个匹配的患者表现出疾病无进展，阳性预测值(PPV)为92.6%。相反，在28例耐药zavatar试验中，20例匹配患者出现疾病进展，导致阴性预测值(NPV)为71.4%。总之，zAvatar-test的灵敏度为76%，特异性为91%(图2g)。

图1

图2

2. zAvatars的转移性与肿瘤分期、患者临床进展相关

研究人员观察到，大多数II/III期患者的zAvatars没有微转移，而在IV期患者中，其大多数zAvatars形成了微转移（图3g）。尽管患者的肿瘤细胞具有转移可能(可能是循环肿瘤细胞和残留病变)，但辅助化疗有效地降低了这一潜能。

对于ⅳ期患者，分期和转移潜能之间的差异可能是由于我们获得的样本(低转移潜能的克隆)的异质性。另一种假设是，这些肿瘤细胞已经处于部分MET(间质-上皮转化)而不是EMT(上皮-间质转化)的过程中，因此具有更低的侵袭性。治疗后出现进展的患者的zAvatars每个zAvatar的微转移数量更高(图3h, p = 0.016)，微转移的总发生率高于无进展患者的zAvatars(图3i, p = 0.0055)。

图3

3. zAvatars可以揭示患者肿瘤内异质性

为了评估该模型能否揭示肿瘤内异质性，即同一患者内原发灶与其转移灶之间的表型差异，研究人员从接受了同期手术的患者中生成了zAvatars（图4）。

患者229CCU表现为直肠腺癌伴肝转移(图4a)。两个样本的zAvatars并行生成，并在3dpi下分析细胞凋亡、肿瘤大小、植入率和转移潜力(图4b-e)。两个样本对FOLFOX治疗均敏感，患者对治疗也有反应。此外，患者189AS被诊断为结肠腺癌伴肝转移(图4f)。观察到两个样本之间的不同情况:来自原发肿瘤的zAvatars对FUFOL治疗敏感，而来自肝转移的zAvatars则表现出耐药性(图4g-j)。该患者在完成化疗3个月后出现肝脏进展，与先前从zAvatar-test中获得的结果一致。

图4

4. 无偏决策树算法提高了zAvatar测试的敏感性

随后，为了提高zAvatar测试的准确性，研究人员使用所有可用的患者和zAvatar变量进行了无偏多变量分析。“两步聚类”分析确定患者的肿瘤分期、zAvatar凋亡FC和zAvatar转移潜能是预测患者反应的最重要因素。接着，使用“分类和回归树”（CRT）算法进行了多变量分类分析。决策树模型识别了相同的三个变量作为患者结局的稳健预测因素，并按等级顺序对其进行分类，该模型还揭示了不同肿瘤分期的凋亡临界值：II/III期肿瘤为1.47,IV期肿瘤为1.18(图5a, b)，通过ROC曲线分析也证实了这一点。

在II/III期的背景下，转移可能性成为提高zAvatar-test准确性的关键因素。在这里，zAvatars没有微转移的患者立即被归类为无进展疾病。这表明，在这种情况下，对治疗的敏感性与进展结局无关，这些患者可能免受化疗及其毒性副作用的影响。相比之下，zAvatars发生微转移的患者，根据对治疗的敏感性，即细胞凋亡FC值进一步分类(图6a, b)。在55名患者中，zAvatar-test成功预测了50名患者的临床结果，总体准确率达到91%(图5c, d)。

图5

5. 具有敏感zAvatar测试结果的患者具有更长的PFS

最后，为了评估zAvatar测试是否能转化为对患者复发时间的临床影响，我们绘制了具有敏感zAvatar测试结果的患者与具有耐药zAvatar测试结果的患者的无进展生存期（PFS）曲线。PFS从化疗开始到最后一次观察或疾病进展日期计算。值得注意的是，zAvatar-test敏感组患者的平均PFS (mPFS)比zAvatar-test耐药组长3倍(N = 55, p < 0.0001)(图6b)。当进一步按分期进行分析时，也证实了这一趋势(p < 0.0001和p = 0.0063)(图6c, d)。

图6

04、编者点评

本研究提供了一种新的方法，通过使用斑马鱼模型来预测个体患者对化疗的反应，从而有助于实现个性化医疗，并可能改善结直肠癌患者的治疗结果，为克服癌症化疗的“试错”困境提供了强有力的解决方案。zAvatar测试以其快速、准确预测个体化疗反应的能力，以及与患者生存获益的显著关联，展现出巨大的潜力，有望成为未来个性化癌症治疗的关键工具。

作为健康美丽产业CRO服务开拓者与引领者、斑马鱼生物技术的全球领导者，环特生物搭建了“斑马鱼、类器官、哺乳动物、人体”多维生物技术服务体系，开展健康美丽CRO服务、科研服务、智慧实验室搭建三大业务。目前，环特已建立200多种斑马鱼模型，胃癌、脑类器官、心脏类器官及各种肿瘤类器官培养平台，欢迎有需要的读者垂询！