迄今为止，作为第三大最常见的恶性肿瘤和第二大最致命的癌症，结直肠癌（colorectal cancer, CRC）在2020年全球已造成约190万例发病率和90万例死亡。大约20%的结直肠癌患者在初期诊断时会发展为转移性疾病，约30%-50%的原发性结肠癌患者复发并死于转移性癌症。转移性结直肠癌的5年生存率仍然很低，约为10%。因此，对结直肠癌进行病理学研究以及选择有效的抗结直肠癌药物是至关重要的。体外细胞实验是一种用于研究结直肠癌的病理生理学以及评价药物对结直肠癌的治疗效果的常用有效方式。然而，传统的细胞培养方式往往是在静态的简化平台上进行的，不能很好地模拟人体内的复杂环境。体内动物实验，作为另一种常用的药物评价方法，往往耗时昂贵，且存在伦理方面的顾虑。因此，仍亟需发展一种可靠的模型，用于研究结直肠癌的病理学并进行药物评价。器官芯片是一种在动态小型化设备中种植并培养多种细胞的技术，在疾病机制研究以及药物评价方面展现出很大的潜力。与传统的体外平板/培养皿细胞培养方式不同，它可以精确控制多种参数，如细胞类型和界面、流体剪切应力、压力、体外蠕动等，从而能更好地模拟人体内器官的结构功能。为了重建人类结直肠中的病理或生理事件，已有几种结直肠芯片被设计出来。然而，它们往往不能很好模拟原发性结直肠癌的发生与发展，如结直肠癌的定点生长、结直肠蠕动、上皮细胞的液体应激、肿瘤中生成的异常血管等。近期，中山大学黄璐课题组提出了一种能够有效模拟原发性结直肠癌体内动态生理和病理的结直肠肿瘤芯片。它不仅可以对结直肠癌细胞进行可控的植入和培养，以模拟原发性结直肠癌的位点特异性，还可以在结直肠上皮上提供连续的低速流动和蠕动样变形，以模拟人类结直肠中的流体剪切和蠕动。此外，设计了将营养物质输送到结直肠细胞的通道，用于模拟肿瘤血管的功能。基于该芯片，对光热抗癌药物的治疗效果进行了测试和量化，显示出其在抗结直肠癌药物体外评价中的巨大潜力。相关工作以“A Pathomimetic Colorectal Tumor-on-a-Chip for In Vitro Reconstitution of the Primary Colorectal Cancer”为题发表在Advanced Materials Technologies。

　　【文章要点】在该研究中，研究人员首先设计并制造了结直肠肿瘤芯片（colorectal tumor-on-a-chip, CRT-chip）。CRT芯片由四个功能层组成，分别称为结直肠道层（第一层）、肿瘤细胞培养层（第二层）、多孔膜层（第三层）和肿瘤脉管系统层（第四层）（图1A-C）。结直肠道层包含三个平行通道。中心通道用于容纳人类正常结肠上皮细胞以模仿人类结直肠（图1D）。两个空心侧通道连接到计算机控制的多功能流体控制器，以将循环蠕动样机械变形应用于中央通道。以这种方式，中央通道中的结肠上皮细胞同时暴露于流动和蠕动应激下，模仿人类结直肠的动态生理环境。肿瘤细胞培养层包含一个圆形微室，其下侧附着在具有微孔阵列的多孔膜层上。微室允许人结肠癌细胞的位点特异性植入和培养。第四层包含一个垂直于中央通道和微室正下方的单通道，它被设计为模拟肿瘤脉管系统，通过多孔膜层渗透为肿瘤细胞提供营养。

　　图1 结直肠肿瘤芯片(CRT芯片)的设计和表征为了表征CRT芯片的蠕动功能，将计算机控制的多功能流体控制器连接到CRT芯片的中空侧通道以施加周期性负压。倒置显微镜记录不同压力下中心通道的变形（图2A，B）。为了表征CRT芯片的血管模拟功能，观察了微室和底部通道之间的物质交换。为了获得更好的可视化效果，将含有红色染料的溶液和空白溶液分别通入底部和中心通道（图2E，F），结果表明，底部通道可以有效地模拟肿瘤血管的功能，将营养物质输送到肿瘤细胞。

　　图2 CRT芯片的蠕动样和血管模拟功能的表征为了在CRT芯片上实现细胞培养，依次优化了包括表面涂层方案和流速在内的条件。结果发现，在涂有胶原蛋白溶液的基质上生长的细胞表现出更高的粘附率，因此，采用胶原蛋白溶液进行CRT芯片的表面涂覆。在中央微室中沉淀的细胞在不同流速下表现出较高的剩余细胞百分比，表明植入中央微室的细胞不容易被冲走。在优化表面涂层方案和流速后，对侧通道施加周期性压力，为中心通道提供蠕动状机械变形。通过测定不同压力下的细胞形变对压力进一步优化。为了进一步验证平台的生物相容性，使用钙黄绿素-AM / PI双染色试剂盒测定了在CRT芯片上培养的结直肠肿瘤细胞和肠上皮细胞的活力。培养85小时后，微室和中心通道中的细胞活力均较高，表明CRT芯片具有良好的生物相容性。为了证明该平台在体外药物评估方面的能力，在CRT芯片上进行了靶向光热治疗。该工作选择FDA批准的用于临床生物成像和光疗的NIR有机试剂吲哚菁绿（Indocyanine green, ICG）作为药物模型。结合近红外辐射，微室中的细胞暴露于不同量的 ICG，表现出明显低的活力，验证了光热疗法的治疗效果。同时，当在肿瘤部位选择性地施用NIR照射时，在中心通道中培养的细胞表现出高活力，这表明光热疗法具有良好的选择性。在没有近红外辐射的情况下，细胞显示出超过80%的高活力，表明ICG和培养环境具有良好的生物相容性。此外，ICG表现出剂量依赖性的光热治疗效率。研究发现，当ICG浓度相对较低时，在 CRT 芯片上孵育的细胞对治疗表现出相当的敏感性。然而，随着浓度增加，在培养皿中培养的细胞的活力明显低于CRT芯片上的活力，表明在病理性微环境中培养的细胞表现出更高的耐药性。【结论与展望】在这项工作中，研究人员开发了一种具有三个主要功能的多层CRT芯片。首先，它允许CRC细胞的位点特异性植入和生长，并通过数值模拟和实验操作进行验证和优化。其次，在结直肠上皮上结合连续流动和加压变形，模拟人类结直肠的流体剪切和蠕动。对流体流速和施加的压力进行了数值和实验优化，以更好地模拟体内生理条件。最后，设计了一个底部通道，用于将营养物质输送到CRC细胞，模拟肿瘤血管的功能。基于该CRT芯片，验证并量化了ICG的治疗效果。结果表明，光热疗法具有较高的疗效和良好的选择性。该平台在抗CRC药物的体外评价方面具有广阔应用前景。原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202200758

　　来源 | BioMed科技

　　编辑 | Joy

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