微流控芯片單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)用于乳腺癌干細(xì)胞特異性藥物篩選

大量研究結(jié)果提示，腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cells,CSCs)是腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移的決定因素，也是導(dǎo)致治療失敗的主要原因。傳統(tǒng)腫瘤治療手段如放療和化療，并不能徹底清除腫瘤干細(xì)胞而且會對正常組織造成損害。鑒于上述事實(shí)，針對腫瘤干細(xì)胞的靶向清除方法已成為近期腫瘤治療的一種新策略。腫瘤干細(xì)胞特異性藥物篩選對于腫瘤干細(xì)胞靶向治療具有重要價(jià)值。然而，腫瘤干細(xì)胞含量稀少且分離后干性難以維持，這對于基于腫瘤干細(xì)胞的藥物篩選帶來了極大的挑戰(zhàn)。針對該問題，華南理工大學(xué)附屬廣州市第一人民醫(yī)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)研究室暨廣東省微流控芯片醫(yī)學(xué)診斷工程技術(shù)研究中心報(bào)導(dǎo)了一種基于微流控芯片的單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)。相關(guān)研究論文被《Small》雜志接收，將發(fā)表于該雜志2019年度的微流控特刊。課題組博士研究生林冬果和碩士研究生李佩文為論文并列第一作者，劉大漁研究員為該論文通訊作者。

研究利用腫瘤干細(xì)胞單細(xì)胞克隆形成特性，發(fā)展基于微流控芯片的單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)用于乳腺癌干細(xì)胞靶向藥物篩選。實(shí)驗(yàn)原理是在添加生長因子條件下腫瘤干細(xì)胞可以單細(xì)胞存活并形成克隆，而其它腫瘤細(xì)胞則會失巢凋亡，依此實(shí)現(xiàn)腫瘤干細(xì)胞分選。這種單細(xì)胞克隆形成可以被腫瘤干細(xì)胞特異性藥物所抑制，因此這種單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)可以作為篩選腫瘤干細(xì)胞特異性藥物的工具。

研究設(shè)計(jì)并加工了一種具有3840單細(xì)胞捕獲微池陣列的微流控芯片。微流控芯片上的單細(xì)胞捕獲采用尺寸限制策略：芯片的旁路通道寬度30微米，高度10微米，因而只允許液體流過而細(xì)胞在此被截獲。截獲了細(xì)胞的旁路通道由于阻力增加，后續(xù)細(xì)胞不再流入。因此在細(xì)胞懸液連續(xù)灌注過程中單個細(xì)胞被依次捕獲于旁路通道形成高密度單細(xì)胞陣列。

實(shí)驗(yàn)選用MCF-7、MDA-MB-231及T47D三種乳腺癌細(xì)胞系，在微流控芯片上完成了單細(xì)胞陣列構(gòu)建、連續(xù)（14天）細(xì)胞培養(yǎng)、原位熒光呈像分析以及細(xì)胞藥物作用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別使用紫杉醇、阿霉素、硫鏈絲菌素和鹽霉素作用于芯片單細(xì)胞陣列，根據(jù)單細(xì)胞克隆形成實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)藥物對腫瘤干細(xì)胞的選擇性殺傷作用。

在優(yōu)化的條件下，芯片單細(xì)胞捕獲效率達(dá)54.2%，相應(yīng)的單次測試單個腫瘤細(xì)胞數(shù)量超過2000。捕獲前后細(xì)胞直徑分布檢測結(jié)果提示，芯片單細(xì)胞捕獲沒有尺寸選擇性。單細(xì)胞陣列中只有少量細(xì)胞可以在長期培養(yǎng)中存活并形成克隆，各種乳腺癌細(xì)胞的克隆形成率分別為：MDA-MB-231，5.78%；MCF-7，1.67%；T47D，5.24%。

藥物測試結(jié)果顯示，在對應(yīng)IC50的藥物濃度作用下, 硫鏈絲菌素對于MDA-MB-231, MCF-7, T47D三種細(xì)胞中的腫瘤干細(xì)胞清除率分別為100%, 97.60%, 和 99.62%, 而鹽霉素的腫瘤干細(xì)胞清除率分別為100%, 100% 和 97.07%。圖4可見，腫瘤干細(xì)胞特異性藥物硫鏈絲菌素和鹽霉素的單細(xì)胞克隆形成抑制率顯著高于傳統(tǒng)抗腫瘤藥物。此外，腫瘤干細(xì)胞特異性藥物可以在非常低的濃度下發(fā)揮抗腫瘤作用，對于正常組織幾乎沒有傷害。有趣的是，腫瘤干細(xì)胞特異性藥物對于不同類型細(xì)胞顯示出了明顯的差別，這提示不同個體腫瘤中的干細(xì)胞信號通路不盡相同，相對應(yīng)的特異性藥物也會有所差別。

綜上所述，本研究發(fā)展了一種基于微流控芯片單細(xì)胞克隆形成實(shí)驗(yàn)的乳腺癌干細(xì)胞靶向藥物篩選方法。這種芯片方法能夠高效構(gòu)建單細(xì)胞陣列并以集成化的方式完成整個分析過程。研究確認(rèn)了微流控芯片單細(xì)胞克隆形成實(shí)驗(yàn)的乳腺癌干細(xì)胞靶向藥物篩選能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，腫瘤干細(xì)胞靶向藥物可以完全地抑制單細(xì)胞克隆形成，而非靶向藥物的抑制效應(yīng)則是部分的。這種微流控芯片單細(xì)胞分析技術(shù)具有操作簡便、分析高效的優(yōu)勢，因而是腫瘤干細(xì)胞靶向藥物篩選的有利工具。