《Cell Discovery》：生物3D打印聯(lián)合機器學(xué)習(xí)揭示腫瘤微環(huán)境和藥物敏感性

近日,，姚瑜博士課題組和復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院姚瑜教授團隊合作開發(fā)了基于生物3D打印和人工智能算法的腦膠質(zhì)瘤微環(huán)境研究及藥物篩選新方法,。研究成果Integration of 3D bioprinting and multi-algorithm machine learning identified glioma susceptibilities and microenvironment characteristics發(fā)表于Cell Discovery,。

腦膠質(zhì)瘤是一種復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)癌癥，在不同患者之間具有顯著遺傳和表型異質(zhì)性,。腦膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）是致死率最高的膠質(zhì)瘤,，其五年生存率僅為6.9%，且復(fù)發(fā)率極高,。本研究在臨床相關(guān)背景下,，首次創(chuàng)新整合生物3D打印和機器學(xué)習(xí)兩項前沿技術(shù)，從實驗和計算雙重角度預(yù)測和評估多模式腫瘤治療反應(yīng),、探索復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境特性,。

亮點匯總

具體研究內(nèi)容
生物3D打印患者腫瘤微組織（PDT）高度重現(xiàn)患者的遺傳特征和臨床藥物反應(yīng)

研究團隊從22名成人和1名兒童高級別膠質(zhì)瘤患者處獲取了手術(shù)切除的腫瘤組織，并成功打印培養(yǎng)了所有患者的3D微組織作為該患者的個性化藥敏實驗?zāi)Ｐ�,。研究團隊采用賽箔生物自主研發(fā)的Biocube高通量光固化打印機,、適配腦膠質(zhì)瘤的生物墨水，準確地模擬了膠質(zhì)瘤的細胞外基質(zhì)特點,，實現(xiàn)PDT構(gòu)建成功率100%,。通過RNA測序和全外顯子測序?qū)Ρ然颊邩颖竞推鋵?yīng)PDT，發(fā)現(xiàn)它們在分子特征上高度一致,，且優(yōu)于基質(zhì)膠培養(yǎng)的患者類器官（PDO）,。

對臨床在用藥物的測試中，PDT能夠準確反映復(fù)發(fā)患者對于金標(biāo)準藥物替莫唑胺的耐藥性（通過pMGMT甲基化狀態(tài)反映復(fù)發(fā)患者耐藥性的比例僅有33%）,，以及對洛莫司汀更高的敏感性,，證實PDT能夠準確提示臨床藥物的易感性。以上結(jié)果證實PDT能夠準確反映個體的藥物敏感性,，與臨床結(jié)果相關(guān)性高,。此外，研究人員還測試了兒童膠質(zhì)瘤患者常用的鉑類藥物（順鉑,、洛鉑）,，四個臨床在用藥物中僅有洛鉑在PDT中腫瘤抑制率的中位數(shù)和平均數(shù)都超過50%，顯示對膠質(zhì)瘤治療具有一定潛力,。

人工智能融合模型GlioML：優(yōu)于單一模型的藥效預(yù)測效果

考慮到藥物有不同的作用機制,，因此單一算法無法提供所有藥物的最佳預(yù)測，研究團隊同時開發(fā)了一個集成11種算法的機器學(xué)習(xí)融合模型GlioML,。結(jié)果顯示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network）模型和梯度提升（Gradient Boosting）模型,，在基于基因表達特征預(yù)測藥物反應(yīng)方面的優(yōu)越預(yù)測能力。這兩類算法產(chǎn)生了超過99%的最佳單一算法預(yù)測器，而k近鄰算法（kNN）類模型未能生成任何最佳預(yù)測器,。通過基礎(chǔ)模型的有效組合和優(yōu)化權(quán)重,，GlioML的加權(quán)集成模型在所有化合物的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中均優(yōu)于所有單一算法。

從癌癥細胞系百科全書（CCLE）中已建立的基因表達數(shù)據(jù)和癌癥治療反應(yīng)門戶（CTRP）中的藥物反應(yīng)數(shù)據(jù),，提取并篩選了與研究最相關(guān)的基因集,，作為團隊開發(fā)的GlioML機器學(xué)習(xí)工作流程的初始特征集。為了防止組學(xué)數(shù)據(jù)多（特征多）而樣本量少帶來的過擬合問題,，研究團隊進行了多輪特征工程,，從而減少訓(xùn)練中使用的特征數(shù)量。

PDT聯(lián)合GlioML發(fā)現(xiàn)潛力化合物,、預(yù)測患者藥物敏感性

研究團隊探索了結(jié)合PDT和GlioML算法來發(fā)現(xiàn)具有潛在臨床療效的化合物,、預(yù)測膠質(zhì)瘤患者藥物敏感性等方面的協(xié)同潛力。研究人員采用3個GlioML模型推薦的非膠質(zhì)瘤相關(guān)化合物和臨床金標(biāo)準藥TMZ分別處理不同患者的PDT,。這3個化合物包括GPX4抑制劑RSL,、白血病藥達沙替尼和調(diào)脂藥洛伐他汀，經(jīng)過藥物處理后的PDT的中位存活率分別為5.8％,、4.2％和50％,，腫瘤抑制效果均顯著超過了臨床用藥TMZ。盡管測試化合物的腫瘤殺傷效率各不相同,，但經(jīng)CCNU,、順鉑、洛鉑,、達沙替尼,、洛伐他汀和RSL處理的PDTs腫瘤存活率均顯著低于未處理對照組。在兒童膠質(zhì)瘤患者常用的鉑類藥物中,，洛鉑顯示出比順鉑更好,、更集中的療效。由于PDTs顯示出與臨床TMZ和CCNU反應(yīng)的高度一致性,，GlioML所發(fā)現(xiàn)的潛力化合物在PDTs中的優(yōu)越腫瘤殺傷效果支持了GlioML在膠質(zhì)瘤藥物發(fā)現(xiàn)中的重要價值,。

同時，聚類分析顯示GlioML預(yù)測的藥物敏感性,，能夠明顯區(qū)分WHO III級和IV級膠質(zhì)瘤,，提示不同階段的膠質(zhì)瘤患者對藥物反應(yīng)不同。GlioML在WHO IV級膠質(zhì)瘤中表現(xiàn)出強大的預(yù)測潛力,，表明當(dāng)前的GlioML模型更擅長預(yù)測惡性程度高的膠質(zhì)瘤,。

生物3D打印PDT能夠維持腫瘤微環(huán)境內(nèi)免疫細胞

高級別膠質(zhì)瘤組織內(nèi)含有包括免疫細胞和內(nèi)皮細胞在內(nèi)的非腫瘤異質(zhì)性細胞群體。本研究收集的患者樣本顯示了不同比例的間質(zhì)細胞,，尤其是CD45+免疫細胞,，生物3D打印的PDT有效地保留了這些間質(zhì)細胞。比較12對匹配的患者組織和PDT發(fā)現(xiàn)，除個別情況下觀察到CD45+比例降低外,，其余無顯著差異,。

GlioML聯(lián)合生物3D打印GBM模型研究腫瘤免疫微環(huán)境

為了解決PDTs中病人特異性特征和不一致的細胞組成帶來的機制研究的挑戰(zhàn)，研究團隊采用基于DLP的生物3D打印技術(shù)創(chuàng)建了工程化的多細胞GBM腫瘤免疫,、腫瘤免疫內(nèi)皮模型,。這些模型嘗試精確重現(xiàn)PDT中涉及的三種主要細胞群體：代表外周血起源的腫瘤相關(guān)巨噬細胞（TAM）的CD14+細胞，代表腦來源的TAM的P2RY12+細胞,，和代表內(nèi)皮細胞的CD31+細胞。

這些工程化多細胞模型使得評估包括GlioML識別的小分子化合物,、T細胞療法和貝伐單抗等靶向治療在內(nèi)的各種治療方法成為可能,。

結(jié)果還揭示了生物3D打印GBM腫瘤免疫模型中，不同來源巨噬細胞能夠塑造有顯著差異的腫瘤微環(huán)境,，可被應(yīng)用于開發(fā)靶向GBM微環(huán)境,、增強臨床療效的新策略。