使用原代腫瘤細胞進行藥物篩選的數(shù)字微流控系統(tǒng)

腫瘤學(xué)的精準醫(yī)療能夠為癌癥患者量身定制治療策略，并確保最佳預(yù)后。迄今為止，大多數(shù)精準療法都是基于每個患者的基因突變位點設(shè)計，部分藥物對某些基因突變的患者產(chǎn)生最佳治療效果，但對發(fā)生其他突變的患者療效不佳甚至?xí)a(chǎn)生不良反應(yīng)。臨床數(shù)據(jù)表明，某種藥物對癌癥的治療過程有大量基因參與，基于基因的精準醫(yī)療難以滿足患者需求。從患者活檢或腫瘤樣本中對原發(fā)性腫瘤細胞進行藥物篩選可提供關(guān)于特定腫瘤藥物敏感性的直接信息，但活檢樣本的細胞數(shù)目有限（約5 × 10?個細胞），使得傳統(tǒng)的96微孔板藥物篩選愈發(fā)困難。雖然多次活檢可提供足夠的腫瘤細胞，但增加了癌癥轉(zhuǎn)移的風險，也給患者帶來痛苦。培養(yǎng)原代腫瘤細胞能夠產(chǎn)生用于體外藥物篩選的足量細胞，但體外培養(yǎng)過程可能誘發(fā)子細胞基因突變，影響藥物篩選結(jié)果。

近年來，微流控技術(shù)已成為使用原代腫瘤細胞進行藥物篩選的重要工具，且具有處理小樣本的能力。微流控有兩種主要類型：基于流動的通道微流控和基于電的數(shù)字微流控（DMF）。基于通道微流控的藥物篩選中，鼻咽腫瘤、胰腺癌和乳腺癌等來自不同器官的人類原發(fā)性腫瘤樣本已被用于藥物敏感性測試。如Wong等開發(fā)了一種基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的液滴微流控平臺，用于對人類患者的原發(fā)性鼻咽腫瘤進行藥物篩選。結(jié)果表明，原發(fā)性鼻咽腫瘤對不同藥物的敏感性不同。Eduati等開發(fā)了一種兩相Braille閥門微流控平臺，用于臨床胰腺癌活檢的組合藥物篩選。該團隊為每個患者樣本確定出特定的有效藥物組合，但沒有任何一組藥物對所有患者都具有普遍療效，該系統(tǒng)的通量比其他微流控系統(tǒng)高出一到兩個數(shù)量級。然而，上述所有通道微流控系統(tǒng)中用于樣品負載的長連接管均導(dǎo)致了珍貴活檢樣品的浪費。有研究報道，液滴中需要約100個活細胞，但沒有提到用藥物液滴中捕獲的細胞百分比。由于通道微流控的流速和壓力不穩(wěn)定，液滴在最初幾分鐘內(nèi)分布不均勻，通常會被丟棄。

為解決注射器和管路導(dǎo)致的吹掃體積問題，Werner開發(fā)了一種微流控液滴發(fā)生器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一系列集成氣動邏輯電路控制的蠕動泵組成，以避免試劑浪費，但該系統(tǒng)制備過程繁瑣復(fù)雜。此外，醫(yī)生難以接受其笨重的配套設(shè)備和復(fù)雜的操作方案?？紤]到活檢樣本有限，其在通道微流控檢測過程中的浪費使其難以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。相比之下，DMF系統(tǒng)可以精確控制單個液滴，以實現(xiàn)所有活檢細胞的有效應(yīng)用，且DMF可以在沒有泵或閥門的情況下進行操作。此外，DMF技術(shù)有助于對單個樣品進行自動分析，設(shè)備占用空間更小。多個團隊已經(jīng)對在DMF芯片上進行原代細胞培養(yǎng)、單細胞培養(yǎng)或?qū)ι虡I(yè)癌細胞系或原代腫瘤細胞的藥物毒性測試等實驗進行了探索。Wheeler等開發(fā)了一種“倒置”模式，使用DMF在圖案化頂板上的虛擬微孔中培養(yǎng)原代細胞，并成功培養(yǎng)了從豬血管中分離出的主動脈內(nèi)皮細胞、主動脈瓣內(nèi)皮細胞和從心臟瓣膜分離出的主動脈瓣間質(zhì)細胞。該團隊已經(jīng)開發(fā)了一種用于單細胞藥物篩選的3D微觀DMF芯片，并證明IC50與在商業(yè)化乳腺腫瘤細胞和正常細胞上獲得的IC50相當。

然而，上述研究均使用癌細胞系或從器官中分離的原代細胞作為理論驗證模型，且從器官模型系統(tǒng)中分離的原代細胞需要作為細胞系進行多次傳代培養(yǎng)，理想情況下任何數(shù)量的細胞都可以通過培養(yǎng)實現(xiàn)芯片上的藥物篩選。尚未使用DMF對未經(jīng)體外傳代培養(yǎng)的原發(fā)腫瘤細胞直接進行藥物篩選（《10?），也不清楚體外藥物篩選能否幫助醫(yī)生了解個體患者對潛在有效藥物的不同體內(nèi)反應(yīng)。目前，臨床醫(yī)生迫切需要一個基于原發(fā)性腫瘤細胞藥物篩選的癌癥精準醫(yī)療系統(tǒng)。

為解決上述挑戰(zhàn)，近期，研究人員開發(fā)了一種使用原代腫瘤細胞進行藥物篩選的數(shù)字微流控系統(tǒng)，并建立了用于精準醫(yī)療的工作流程。為了提高系統(tǒng)通量并減少其占用空間，研究人員開發(fā)了智能控制邏輯，以便在尺寸為4 × 4 cm2的芯片上同時篩選三種藥物。相關(guān)研究成果以“Drug screening on digital microfluidics for cancer precision medicine”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。澳門大學(xué)賈艷偉、北京科技大學(xué)姚海龍及中山大學(xué)易述紅為共同通訊作者。

用于癌癥精準醫(yī)療的數(shù)字微流控藥物篩選示意圖

該研究利用MDA-MB-231乳腺癌異種移植小鼠模型和來自患者的肝癌標本驗證了該方法，并驗證了篩選出的藥物對個體原發(fā)腫瘤小鼠/患者的有效腫瘤抑制作用。此外，研究結(jié)果顯示，乳腺癌異種移植小鼠模型中，芯片篩選結(jié)果為無效的藥物在給藥后無腫瘤抑制效果。此外，芯片篩選鑒定出的無效靶向藥物，與其治療后腫瘤細胞外顯子組測序相關(guān)基因沒有突變存在一致性，進一步驗證了該方案的可行性。因此，該技術(shù)可以推動精準癌癥醫(yī)療的發(fā)展，并可用于任何疾病的精確診療。

利用微流控芯片和MDA-MB-231乳腺癌異種移植小鼠模型進行聯(lián)合藥物篩選

使用便攜式數(shù)字微流控（DMF）系統(tǒng)對5例肝癌患者進行的4種臨床抗癌藥物的片上藥物篩選結(jié)果