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(jiàn)并嚴(yán)重的表現(xiàn)，對(duì)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(guò)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(píng)估腫瘤轉(zhuǎn)移性的方法仍然十分缺乏。傳統(tǒng)的評(píng)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(wú)法模擬原發(fā)性腫瘤轉(zhuǎn)移的過(guò)程，因此無(wú)法有效評(píng)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(guò)將微型芯片和生物材料組合，可以更加準(zhǔn)確地研究和測(cè)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(lái)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(guò)程，使得現(xiàn)有方法無(wú)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(píng)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(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的生理過(guò)程，能夠有效評(píng)估患者腫瘤細(xì)胞的侵襲能力和生長(zhǎng)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(jí)碩士研究生陳邁科和20級(jí)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(guò)程，并在傳統(tǒng)評(píng)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(píng)估腫瘤轉(zhuǎn)移策略。

圖1 Transwell集成的腫瘤類器官芯片用于評(píng)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(píng)估了患者來(lái)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(guò)在類器官芯片內(nèi)建立營(yíng)養(yǎng)梯度，使外側(cè)腔室中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度高于中心腔室，中心腔室的腫瘤類器官會(huì)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(píng)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(shuō)明腫瘤類器官芯片評(píng)估腫瘤轉(zhuǎn)移的能力。

圖4 腫瘤類器官一致性評(píng)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(cè)試。通過(guò)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(píng)估細(xì)胞遷移能力的方法相比，該工作提供的用于評(píng)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(guò)程。另外，所設(shè)計(jì)的用于評(píng)估腫瘤轉(zhuǎn)移性的腫瘤類器官芯片，使用了患者來(lái)源的腫瘤類器官進(jìn)行腫瘤轉(zhuǎn)移性評(píng)估，能夠真實(shí)地反映人體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的生理過(guò)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。