临床与分子概述及当前治疗
结直肠癌（CRC）是全球主要的健康负担，2022年新发病例约193万，死亡约90万。其发生涉及腺瘤-癌序列、锯齿状瘤变等多种途径，风险受肥胖、炎症性肠病等因素影响。分子特征如RAS/BRAF突变、微卫星不稳定性（MSI）状态和人表皮生长因子受体2（HER2）扩增已成为标准检测。肿瘤微环境（TME）是癌症进展的关键，共识分子分型（CMS）将其分为CMS1（MSI-免疫型）、CMS2（经典型）、CMS3（代谢型）和CMS4（间质型），与治疗反应相关。然而，微卫星稳定型（MSS）疾病的免疫排斥、快速的克隆适应性以及临床前模型无法充分模拟肿瘤复杂性，仍然是治疗耐药和转化失败的主要障碍。
从二维单层到三维系统：研究CRC的创新体外模型
为了应对这些挑战，一系列复杂度递增的先进体外模型被开发出来。它们从简单的二维（2D）单层细胞模型，逐步发展到三维（3D）球体、患者来源的类器官（PDOs）、包含基质和免疫细胞的异型共培养模型、灌注式器官芯片（OoC）设备，以及保留天然结构的离体组织切片。这些模型旨在更准确地模拟体内生理环境、药物渗透梯度和细胞间相互作用。
其中，PDOs保留了患者的组织学结构、驱动突变和分子亚型，其药物反应与患者临床结果具有相关性，可用于治疗选择和耐药性研究。与癌症相关成纤维细胞（CAFs）、内皮细胞和免疫细胞的共培养模型，能够重新引入生长因子交换、细胞外基质重塑和骨髓介导的药物耐受，这是单细胞培养所不具备的。器官芯片通过在工程通道中嵌入类器官或球体，重现了间质流动、氧/营养梯度等生理限制，其药物反应结果与体内结果具有相关性。离体组织切片和微器官球体则能在数天内保留肿瘤的原生结构、脉管系统和驻留免疫细胞，用于短期药物渗透和免疫激活评估。
先进模型如何解决药物开发和临床中的具体问题
这些复杂模型在转化工作流程中主要解决两大类问题。
在药物开发中，目标是降低后期失败率。例如，药代动力学模拟的肿瘤芯片系统，在3D结直肠癌细胞球体中模拟体内时间依赖的药物暴露，可优化伊立替康与ATM抑制剂AZD0156的联合给药方案。3D重定向裂解实验结合健康器官类器官，可评估靶向CEA-CD3的双特异性抗体cibisatamab的疗效和潜在的脱靶毒性，为首次人体试验的剂量选择提供安全风险评估。
在临床决策中，目标是为患者提供个体化治疗证据。对于免疫排斥的MSS型CRC，患者匹配的CRC类器官-免疫细胞共培养模型发现，抑制TGFβ通路可增加细胞毒性T细胞浸润，并与抗PD-1疗法产生协同作用，这为联合治疗方案提供了理论依据。在需要快速、个体化方案排名的场景中，PDOs的药物反应谱能够反映患者对标准化疗和靶向药物的临床结果，具有很高的阴性预测价值，可用于排除无效治疗方案。同样，来自结直肠癌肝转移的离体肿瘤切片也可在数天内预测患者对5-氟尿嘧啶（5-FU）±奥沙利铂的反应。
结论与未来展望
先进的体外CRC模型正从机制研究工具演变为决策引擎。它们通过整合患者异质性、模拟TME相互作用和施加生理限制，提高了临床前预测的准确性，有助于识别耐药机制并优化联合用药策略。然而，模型仍面临上皮细胞偏倚、部分免疫细胞缺失、建立耗时以及成本和通量限制等挑战。未来的成功应用将依赖于标准化验证、跨实验室可重复性，以及与临床注册数据和监管框架的整合。通过将合适、经过验证的模型嵌入转化工作流程，有望降低药物研发的Ⅱ期失败率，加速将科学发现转化为对结直肠癌患者有效的疗法。
