中南大學(xué)陳翔/陳澤宇/趙爽:類器官芯片用于模擬腫瘤轉(zhuǎn)移

更新時(shí)間：2024-03-12

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腫瘤異質(zhì)性一直被認(rèn)為是阻礙個(gè)體化診療進(jìn)步的一大障礙。其中，腫瘤轉(zhuǎn)移性與腫瘤異質(zhì)性密切相關(guān)，是惡性腫瘤的一種常見并嚴(yán)重的表現(xiàn)，對患者的生存率和生活質(zhì)量有著極大的影響。腫瘤類器官是源自腫瘤組織中腫瘤特異性干細(xì)胞通過三維組織培養(yǎng)形成的細(xì)胞簇，它可模擬體內(nèi)腫瘤特征及腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性，該技術(shù)的應(yīng)用為腫瘤研究和治療提供了可靠的模型，特別是為個(gè)性化腫瘤診療開辟了新的方案。目前，在體外利用腫瘤類器官技術(shù)評估腫瘤轉(zhuǎn)移性的方法仍然十分缺乏。傳統(tǒng)的評估細(xì)胞遷移能力的方法包括Transwell、細(xì)胞劃痕等，這些方法無法模擬原發(fā)性腫瘤轉(zhuǎn)移的過程，因此無法有效評估腫瘤的轉(zhuǎn)移性。器官芯片技術(shù)能夠模擬人體器官的功能，通過將微型芯片和生物材料組合，可以更加準(zhǔn)確地研究和測試藥物的效果、了解疾病的有關(guān)機(jī)制以及開發(fā)個(gè)性化診療方法等。但目前用于研究腫瘤轉(zhuǎn)移的器官芯片大多仍采用傳統(tǒng)的腫瘤細(xì)胞系構(gòu)建模型，由于傳統(tǒng)的腫瘤細(xì)胞系與患者來源的腫瘤細(xì)胞存在較大差異，因此難以重建真實(shí)的腫瘤轉(zhuǎn)移過程，使得現(xiàn)有方法無法滿足臨床上的應(yīng)用需求。

近期，中南大學(xué)湘雅醫(yī)院皮膚科、中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、重慶大學(xué)三峽醫(yī)院等研究團(tuán)隊(duì)在《Small》（IF=13.3）期刊上在線發(fā)表題為“Mimicking Tumor Metastasis Using a Transwell-Integrated Organoids On-a-Chip Platform"的原創(chuàng)性論著。該研究提出了一種用于評估腫瘤轉(zhuǎn)移性的腫瘤類器官芯片。該芯片可以模擬人體內(nèi)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的生理過程，能夠有效評估患者腫瘤細(xì)胞的侵襲能力和生長能力，為研究腫瘤的轉(zhuǎn)移性以及相應(yīng)的腫瘤治療和藥物研究提供了重要的工具。據(jù)悉，這項(xiàng)研究的第一作者和第一通訊作者單位均為中南大學(xué)。21級碩士研究生陳邁科和20級博士研究生單晗為該論文共同第一作者；中南大學(xué)湘雅醫(yī)院皮膚科陳翔教授、趙爽副研究員、中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院陳澤宇教授、重慶大學(xué)三峽醫(yī)院印明柱教授為該論文共同通訊作者。

首先，作者闡述了腫瘤異質(zhì)性的原理以及腫瘤轉(zhuǎn)移的過程，并在傳統(tǒng)評估細(xì)胞遷移能力方法的基礎(chǔ)上，提出了Transwell集成的腫瘤類器官芯片精準(zhǔn)評估腫瘤轉(zhuǎn)移策略。

圖1 Transwell集成的腫瘤類器官芯片用于評估腫瘤轉(zhuǎn)移和藥物篩選

然后，作者使用高精度3D打印技術(shù)（摩方精密nanoArch® S140，精度：10μm）制作了芯片腔室的六邊形支架，并使用激光切割技術(shù)制造了芯片主體，最終裝配成了集成Transwell單元的仿生腫瘤類器官芯片。

圖2 仿生腫瘤類器官芯片制造

作者進(jìn)一步使用腫瘤類器官芯片評估了患者來源的粘膜黑色素瘤類器官和肢端黑色素瘤類器官的腫瘤轉(zhuǎn)移能力。通過在類器官芯片內(nèi)建立營養(yǎng)梯度，使外側(cè)腔室中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度高于中心腔室，中心腔室的腫瘤類器官會逐漸轉(zhuǎn)移到外側(cè)的腔室中。觀察發(fā)現(xiàn)，兩種黑色素瘤類器官展現(xiàn)出了不同的腫瘤轉(zhuǎn)移能力。

圖3 腫瘤類器官芯片評估腫瘤轉(zhuǎn)移

接著，作者分別從蛋白和基因?qū)用嫜芯苛宿D(zhuǎn)移出的細(xì)胞團(tuán)簇與中心腔室中未發(fā)生轉(zhuǎn)移的腫瘤類器官團(tuán)的差異性。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)移出的細(xì)胞團(tuán)簇中與轉(zhuǎn)移相關(guān)的蛋白和基因表達(dá)均顯著高于未轉(zhuǎn)移的類器官團(tuán)。這有效說明腫瘤類器官芯片評估腫瘤轉(zhuǎn)移的能力。

圖4 腫瘤類器官一致性評估和流式分析

圖5 腫瘤轉(zhuǎn)移相比蛋白比較

圖6 腫瘤轉(zhuǎn)移相比基因比較

最后，作者利用類器官芯片進(jìn)行了藥物篩選測試。通過在類器官芯片內(nèi)添加不同濃度的抗腫瘤藥物，發(fā)現(xiàn)腫瘤類器官的轉(zhuǎn)移性有所區(qū)別。隨著藥物濃度的提高，腫瘤的轉(zhuǎn)移得到了明顯抑制。

圖7 腫瘤類器官芯片藥物篩選

與其他用于評估細(xì)胞遷移能力的方法相比，該工作提供的用于評估腫瘤轉(zhuǎn)移性的腫瘤類器官芯片，集成了仿生的Transwell腔室，能夠高效模擬腫瘤轉(zhuǎn)移的過程。另外，所設(shè)計(jì)的用于評估腫瘤轉(zhuǎn)移性的腫瘤類器官芯片，使用了患者來源的腫瘤類器官進(jìn)行腫瘤轉(zhuǎn)移性評估，能夠真實(shí)地反映人體內(nèi)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的生理過程。該工作在腫瘤患者個(gè)體化診療、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等臨床研究中具有良好的應(yīng)用前景。