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中南大学陈翔/陈泽宇/赵爽:类器官芯片用于模拟肿瘤转移

更新时间:2024-03-12      点击次数:153
肿瘤异质性一直被认为是阻碍个体化诊疗进步的一大障碍。其中,肿瘤转移性与肿瘤异质性密切相关,是恶性肿瘤的一种常见并严重的表现,对患者的生存率和生活质量有着极大的影响。肿瘤类器官是源自肿瘤组织中肿瘤特异性干细胞通过三维组织培养形成的细胞簇,它可模拟体内肿瘤特征及肿瘤细胞异质性,该技术的应用为肿瘤研究和治疗提供了可靠的模型,特别是为个性化肿瘤诊疗开辟了新的方案。目前,在体外利用肿瘤类器官技术评估肿瘤转移性的方法仍然十分缺乏。传统的评估细胞迁移能力的方法包括Transwell、细胞划痕等,这些方法无法模拟原发性肿瘤转移的过程,因此无法有效评估肿瘤的转移性。器官芯片技术能够模拟人体器官的功能,通过将微型芯片和生物材料组合,可以更加准确地研究和测试药物的效果、了解疾病的有关机制以及开发个性化诊疗方法等。但目前用于研究肿瘤转移的器官芯片大多仍采用传统的肿瘤细胞系构建模型,由于传统的肿瘤细胞系与患者来源的肿瘤细胞存在较大差异,因此难以重建真实的肿瘤转移过程,使得现有方法无法满足临床上的应用需求。



近期,中南大学湘雅医院皮肤科、中南大学机电工程学院、重庆大学三峡医院等研究团队《Small》(IF=13.3)期刊上在线发表题为“Mimicking Tumor Metastasis Using a Transwell-Integrated Organoids On-a-Chip Platform"的原创性论著。该研究提出了一种用于评估肿瘤转移性的肿瘤类器官芯片。该芯片可以模拟人体内肿瘤生长和转移的生理过程,能够有效评估患者肿瘤细胞的侵袭能力和生长能力,为研究肿瘤的转移性以及相应的肿瘤治疗和药物研究提供了重要的工具。据悉,这项研究的第一作者和第一通讯作者单位均为中南大学。21级硕士研究生陈迈科和20级博士研究生单晗为该论文共同第一作者;中南大学湘雅医院皮肤科陈翔教授、赵爽副研究员、中南大学机电工程学院陈泽宇教授、重庆大学三峡医院印明柱教授为该论文共同通讯作者。

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首先,作者阐述了肿瘤异质性的原理以及肿瘤转移的过程,并在传统评估细胞迁移能力方法的基础上,提出了Transwell集成的肿瘤类器官芯片精准评估肿瘤转移策略
 
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图1 Transwell集成的肿瘤类器官芯片用于评估肿瘤转移和药物筛选

然后,作者使用高精度3D打印技术(摩方精密nanoArch® S140,精度:10μm)制作了芯片腔室的六边形支架,并使用激光切割技术制造了芯片主体,最终装配成了集成Transwell单元的仿生肿瘤类器官芯片。

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图2 仿生肿瘤类器官芯片制造


作者进一步使用肿瘤类器官芯片评估了患者来源的粘膜黑色素瘤类器官和肢端黑色素瘤类器官的肿瘤转移能力。通过在类器官芯片内建立营养梯度,使外侧腔室中的营养物质浓度高于中心腔室,中心腔室的肿瘤类器官会逐渐转移到外侧的腔室中。观察发现,两种黑色素瘤类器官展现出了不同的肿瘤转移能力



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图3 肿瘤类器官芯片评估肿瘤转移




接着,作者分别从蛋白和基因层面研究了转移出的细胞团簇与中心腔室中未发生转移的肿瘤类器官团的差异性。结果表明,转移出的细胞团簇中与转移相关的蛋白和基因表达均显著高于未转移的类器官团。这有效说明肿瘤类器官芯片评估肿瘤转移的能力



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图4 肿瘤类器官一致性评估和流式分析

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图5 肿瘤转移相比蛋白比较

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图6 肿瘤转移相比基因比较 

最后,作者利用类器官芯片进行了药物筛选测试。通过在类器官芯片内添加不同浓度的抗肿瘤药物,发现肿瘤类器官的转移性有所区别。随着药物浓度的提高,肿瘤的转移得到了明显抑制。

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图7 肿瘤类器官芯片药物筛选

他用于评估细胞迁移能力的方法相比,该工作提供的用于评估肿瘤转移性的肿瘤类器官芯片,集成了仿生的Transwell腔室,能够高效模拟肿瘤转移的过程另外,所设计的用于评估肿瘤转移性的肿瘤类器官芯片,使用了患者来源的肿瘤类器官进行肿瘤转移性评估,能够真实地反映人体内肿瘤生长和转移的生理过程。该工作在肿瘤患者个体化诊疗、精准医学等临床研究中具有良好的应用前景。