微流控芯片用于化療藥物治療反應(yīng)預(yù)測(cè)

癌癥的最佳治療需要診斷方法來促進(jìn)治療選擇，以防止無效治療。直接評(píng)估活腫瘤標(biāo)本的治療反應(yīng)可以填補(bǔ)這一診斷空白。鑒于此，荷蘭鹿特丹伊拉斯姆斯大學(xué)Dik C. van Gent教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)微流控平臺(tái)，用于在精確控制的生長(zhǎng)條件下使用腫瘤組織切片評(píng)估患者治療反應(yīng)。優(yōu)化的芯片上癌癥（CoC）平臺(tái)在7天內(nèi)可以維持乳腺和前列腺腫瘤切片的生存能力和持續(xù)增殖能力。

在此時(shí)間范圍內(nèi)，未觀察到組織形態(tài)學(xué)或基因表達(dá)模式的重大變化，這表明CoC系統(tǒng)提供了一種可靠和有效的方法來評(píng)估腫瘤的內(nèi)在化療敏感性。定制的CoC平臺(tái)分別準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了乳腺癌和前列腺癌異種移植模型中順鉑和阿帕魯坦的治療反應(yīng)。

此外，乳腺癌的培養(yǎng)期可延長(zhǎng)至14天，而組織形態(tài)和生存能力不會(huì)發(fā)生重大變化。這些培養(yǎng)特征能夠評(píng)估治療結(jié)果，并為詳細(xì)的機(jī)制研究提供可能性。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種微流控芯片，該芯片由嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜中的微流體通道組成。PDMS膜由硅框架支撐，框架還包括一個(gè)入口和一個(gè)出口，分別通向薄膜中的通道。每個(gè)通道完全隔離并限制在PDMS膜中，并通過微孔陣列與開放井接觸。

每個(gè)井都提供了足夠的空間來容納組織切片，并使用熱可逆水凝膠固定組織切片，通過微通道和界面頂部的持續(xù)灌注和擴(kuò)散，可以在清除廢物和補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)維持組織切片。底部通過光學(xué)窗口PDMS層的氣體交換增強(qiáng)組織切片的氧化作用。整個(gè)CoC平臺(tái)連接到微流體流動(dòng)控制系統(tǒng)，在整個(gè)培養(yǎng)期間監(jiān)測(cè)每個(gè)孔道的流體速度。

圖1 微流控CoC平臺(tái)設(shè)計(jì)與概述

接著，該團(tuán)隊(duì)對(duì)在體外和CoC平臺(tái)上使用順鉑敏感和人源性組織異種移植（PDX）耐藥模型預(yù)測(cè)治療反應(yīng)。結(jié)果表明，順鉑治療3天后TUNEL陽(yáng)性（凋亡）細(xì)胞增多，Edu陽(yáng)性（復(fù)制）細(xì)胞減少；而抗順鉑PDX組織切片中EdU和TUNEL信號(hào)沒有明顯變化。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了順鉑治療72小時(shí)后，與順鉑耐藥腫瘤切片相比，順鉑敏感的PDX中53BP1病灶的積累要高得多，這可能是敏感模型中DNA損傷修復(fù)失敗的結(jié)果。

圖2 使用順鉑敏感和耐藥PDX在體外和CoC平臺(tái)預(yù)測(cè)治療反應(yīng)

接著，該團(tuán)隊(duì)利用雄激素依賴性前列腺腫瘤PC82來評(píng)估CoC平臺(tái)在完全不同腫瘤類型中的性能。他們將腫瘤組織切片在添加或不添加抗雄激素阿帕魯胺的情況下培養(yǎng)7天。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露于阿帕魯胺后，AR表達(dá)顯著降低，TUNEL陽(yáng)性細(xì)胞增加，Edu陽(yáng)性細(xì)胞顯著減少，這與抗雄激素治療在體內(nèi)和體外培養(yǎng)中的效果非常相似。

總之，CoC培養(yǎng)概括了在體內(nèi)已知敏感性的乳腺和前列腺腫瘤模型中兩種不同治療方法的腫瘤反應(yīng)。



圖3 CoC平臺(tái)阿帕魯胺治療的療效

體外培養(yǎng)的主要限制之一是保持最佳增殖能力和組織結(jié)構(gòu)的最大培養(yǎng)時(shí)間。研究者們將體外和CoC平臺(tái)長(zhǎng)期腫瘤組織切片培養(yǎng)進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在第0天的生長(zhǎng)速度與在CoC平臺(tái)培養(yǎng)7天的生長(zhǎng)速度沒有太大的差異，且高于體外培養(yǎng)。14天后，結(jié)果更加明顯。

在Geminin的測(cè)定中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CoC平臺(tái)的Geminin細(xì)胞率高于體外。這些數(shù)據(jù)表明，CoC平臺(tái)為延長(zhǎng)（超過7天）腫瘤組織切片的培養(yǎng)時(shí)間提供了比體外系統(tǒng)更好的培養(yǎng)條件，即使在7天后，兩種培養(yǎng)方法之間也可能已經(jīng)存在微妙的差異。



圖4 乳腺PDX腫瘤組織切片在離體條件下和CoC平臺(tái)中培養(yǎng)14天

最后，研究者們進(jìn)行了RNA分離與測(cè)序、生物信息學(xué)分析、路徑分析以及統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果在這些途徑?jīng)]有觀察到任何有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的變化，表明兩種培養(yǎng)條件均未引起腫瘤生長(zhǎng)特征發(fā)生重大變化?；虮磉_(dá)分析表明，體外條件下免疫反應(yīng)（如IFN信號(hào)通路）受到影響，但在CoC平臺(tái)中不受影響。

接著，研究者們?cè)趦煞N培養(yǎng)條件下，分別在第0天和第7天進(jìn)行53BP1免疫染色，分析腫瘤切片DNA損傷情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在體外和CoC條件下觀察到一個(gè)大病灶的細(xì)胞，以及多個(gè)小病灶的細(xì)胞。然而，在離體條件下培養(yǎng)的腫瘤DNA損傷明顯高于CoC。

因此得出結(jié)論，體外培養(yǎng)條件誘導(dǎo)了免疫激活，并且在體外培養(yǎng)7天后存在更多的DNA損傷，使得CoC系統(tǒng)更忠實(shí)地代表原發(fā)腫瘤，并成為研究治療反應(yīng)的首選系統(tǒng)。

圖5 體外及CoC平臺(tái)培養(yǎng)乳腺PDX腫瘤基因表達(dá)分析

綜上，這種微流控芯片上癌癥平臺(tái)可以用于乳腺癌PDX切片維持細(xì)胞活力、增殖和組織形態(tài)至少14天，且能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)乳腺癌順鉑治療反應(yīng)和前列腺癌PDX腫瘤切片抗雄激素治療反應(yīng)。進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果表明，該平臺(tái)具有預(yù)測(cè)腫瘤化療藥物治療反應(yīng)的潛力，雖然目前的研究主要集中在乳腺癌和前列腺癌的PDX模型，但CoC平臺(tái)也可以應(yīng)用于其他實(shí)體腫瘤。該CoC平臺(tái)易于使用，操作靈活，占地面積最小，是功能基因組學(xué)、藥物篩選和個(gè)性化醫(yī)療離體研究的多功能工具。





審核編輯：劉清