液滴微流控技術(shù)在癌癥研究中的應(yīng)用：從單細(xì)胞分析到3D細(xì)胞培養(yǎng)

癌癥具有難發(fā)現(xiàn)、治愈率低和愈后差等特點，已經(jīng)成為全球第二大死亡原因。由癌細(xì)胞異質(zhì)性引起的耐藥性和治療差異是癌癥治療效果不佳的主要原因。此外，利用基于二維（2D）培養(yǎng)的癌細(xì)胞進(jìn)行藥物篩選忽略了體內(nèi)腫瘤微環(huán)境的影響，無法準(zhǔn)確評估藥物在體內(nèi)的效果。因此，腫瘤細(xì)胞的單細(xì)胞分析和體外腫瘤模型的培養(yǎng)成為當(dāng)下癌癥研究領(lǐng)域迫切需要解決的問題。液滴微流控技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)被廣泛用于單細(xì)胞分析和三維（3D）細(xì)胞培養(yǎng)，為腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性分析和體外腫瘤球體培養(yǎng)提供了全新的強有力平臺。

近期，東南大學(xué)項楠教授課題組綜述了液滴微流控技術(shù)在當(dāng)下癌癥研究中的最新進(jìn)展和應(yīng)用前景，相關(guān)成果以“Droplet Microfluidics for current cancer research: from single-cell analysis to 3D cell culture”為題發(fā)表在ACS Biomaterials Science & Engineering期刊上。文章第一作者為蔣林博士，通訊作者為項楠教授。

該綜述首先概述了液滴微流控的使能技術(shù)，包括單/雙乳液滴的生成及液滴的主/被動分裂、融合、混合、分選和捕獲。然后，系統(tǒng)地討論了液滴微流控技術(shù)用于單細(xì)胞的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的異質(zhì)性分析，并重點介紹了液滴微流控技術(shù)與微流控分選技術(shù)的結(jié)合在稀有循環(huán)腫瘤細(xì)胞單細(xì)胞分析中的應(yīng)用。此外，論文討論了基于液滴微流控技術(shù)的無支架3D腫瘤球體培養(yǎng)，以及在液滴微流控技術(shù)中利用不同水凝膠以實現(xiàn)基于支架的3D腫瘤球體培養(yǎng)的策略。最后，論文討論了液滴微流控技術(shù)在癌癥研究領(lǐng)域的應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。

圖1液滴微流控技術(shù)在癌癥研究領(lǐng)域的應(yīng)用

圖2 液滴微流控技術(shù)用于癌細(xì)胞的研究：（a）單細(xì)胞CD-45轉(zhuǎn)錄組分析；（b）單細(xì)胞miRNA-21分析；（c）單細(xì)胞分泌的血管內(nèi)皮生長因子分析；（d）單細(xì)胞分泌的堿性磷酸酶分析。液滴微流控技術(shù)用于稀有循環(huán)腫瘤細(xì)胞的研究：（e）結(jié)合基于抗體的細(xì)胞捕獲和聲學(xué)液滴技術(shù)實現(xiàn)稀有循環(huán)腫瘤細(xì)胞的基因組突變分析；（f）結(jié)合基于尺寸的細(xì)胞捕獲和階梯乳化實現(xiàn)稀有循環(huán)腫瘤細(xì)胞的基質(zhì)金屬蛋白酶代謝分析。

圖3 液滴微流控技術(shù)用于無支架的3D腫瘤球體培養(yǎng)：（a）尤文肉瘤球體培養(yǎng)及耐藥性測試；（b）含有不同比例的MCF-7乳腺癌細(xì)胞和NIH-3T3成纖維細(xì)胞的腫瘤球體的培養(yǎng)及耐藥性測試。液滴微流控技術(shù)用于基于支架的3D腫瘤球體培養(yǎng)：（c）Alginate微膠囊封裝MCF-7乳腺癌細(xì)胞和HMF乳腺成纖維細(xì)胞實現(xiàn)3D腫瘤球體培養(yǎng)；（d）GelMA液滴用于血管支持的多細(xì)胞腫瘤球體培養(yǎng)；（e）agarose液滴用于腫瘤球體的長期培養(yǎng)、藥物灌注和按需提取；（f）集成芯片用于大批量腫瘤球體的長期培養(yǎng)。

綜上所述，液滴微流控技術(shù)以其低成本、高靈敏度、高通量的特點已經(jīng)成為強大的單細(xì)胞分析和3D細(xì)胞培養(yǎng)平臺，為腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性分析和體外腫瘤模型培養(yǎng)提供了全新的工具。盡管如此，液滴微流控技術(shù)在癌癥研究領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用仍然存在一些挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。

機器學(xué)習(xí)和人工智能的引入可以很好地解決目前液滴微流控芯片設(shè)計高度依賴研究人員經(jīng)驗的情況。此外，結(jié)合人工智能賦能的圖像識別等無標(biāo)簽檢測方式，可以拓寬基于液滴的單細(xì)胞分析范圍。另一方面，隨著快速微加工技術(shù)（例如3D打印技術(shù)）的發(fā)展，傳統(tǒng)軟光刻工藝所導(dǎo)致的長制造周期和成本高昂等問題也可以得到解決。通過開發(fā)具備良好的生物相容性且理化性質(zhì)可控的水凝膠，可以更好的模擬體內(nèi)腫瘤微環(huán)境實現(xiàn)體外腫瘤球體的培養(yǎng)。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.3c01866