中南大學陳翔/陳澤宇/趙爽:類器官芯片用于模擬腫瘤轉移

更新時間：2024-03-12

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腫瘤異質性一直被認為是阻礙個體化診療進步的一大障礙。其中，腫瘤轉移性與腫瘤異質性密切相關，是惡性腫瘤的一種常見并嚴重的表現(xiàn)，對患者的生存率和生活質量有著極大的影響。腫瘤類器官是源自腫瘤組織中腫瘤特異性干細胞通過三維組織培養(yǎng)形成的細胞簇，它可模擬體內(nèi)腫瘤特征及腫瘤細胞異質性，該技術的應用為腫瘤研究和治療提供了可靠的模型，特別是為個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評估腫瘤轉移性的方法仍然十分缺乏。傳統(tǒng)的評估細胞遷移能力的方法包括Transwell、細胞劃痕等，這些方法無法模擬原發(fā)性腫瘤轉移的過程，因此無法有效評估腫瘤的轉移性。器官芯片技術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，可以更加準確地研究和測試藥物的效果、了解疾病的有關機制以及開發(fā)個性化診療方法等。但目前用于研究腫瘤轉移的器官芯片大多仍采用傳統(tǒng)的腫瘤細胞系構建模型，由于傳統(tǒng)的腫瘤細胞系與患者來源的腫瘤細胞存在較大差異，因此難以重建真實的腫瘤轉移過程，使得現(xiàn)有方法無法滿足臨床上的應用需求。

近期，中南大學湘雅醫(yī)院皮膚科、中南大學機電工程學院、重慶大學三峽醫(yī)院等研究團隊在《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)腫瘤生長和轉移的生理過程，能夠有效評估患者腫瘤細胞的侵襲能力和生長能力，為研究腫瘤的轉移性以及相應的腫瘤治療和藥物研究提供了重要的工具。據(jù)悉，這項研究的第一作者和第一通訊作者單位均為中南大學。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；中南大學湘雅醫(yī)院皮膚科陳翔教授、趙爽副研究員、中南大學機電工程學院陳澤宇教授、重慶大學三峽醫(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性的原理以及腫瘤轉移的過程，并在傳統(tǒng)評估細胞遷移能力方法的基礎上，提出了Transwell集成的腫瘤類器官芯片精準評估腫瘤轉移策略。

圖1 Transwell集成的腫瘤類器官芯片用于評估腫瘤轉移和藥物篩選

然后，作者使用高精度3D打印技術（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移能力。通過在類器官芯片內(nèi)建立營養(yǎng)梯度，使外側腔室中的營養(yǎng)物質濃度高于中心腔室，中心腔室的腫瘤類器官會逐漸轉移到外側的腔室中。觀察發(fā)現(xiàn)，兩種黑色素瘤類器官展現(xiàn)出了不同的腫瘤轉移能力。

圖3 腫瘤類器官芯片評估腫瘤轉移

接著，作者分別從蛋白和基因層面研究了轉移出的細胞團簇與中心腔室中未發(fā)生轉移的腫瘤類器官團的差異性。結果表明，轉移出的細胞團簇中與轉移相關的蛋白和基因表達均顯著高于未轉移的類器官團。這有效說明腫瘤類器官芯片評估腫瘤轉移的能力。

圖4 腫瘤類器官一致性評估和流式分析

圖5 腫瘤轉移相比蛋白比較

圖6 腫瘤轉移相比基因比較

最后，作者利用類器官芯片進行了藥物篩選測試。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)腫瘤類器官的轉移性有所區(qū)別。隨著藥物濃度的提高，腫瘤的轉移得到了明顯抑制。

圖7 腫瘤類器官芯片藥物篩選

與其他用于評估細胞遷移能力的方法相比，該工作提供的用于評估腫瘤轉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移的過程。另外，所設計的用于評估腫瘤轉移性的腫瘤類器官芯片，使用了患者來源的腫瘤類器官進行腫瘤轉移性評估，能夠真實地反映人體內(nèi)腫瘤生長和轉移的生理過程。該工作在腫瘤患者個體化診療、精準醫(yī)學等臨床研究中具有良好的應用前景。