Nature子刊！微流控系统在精准医学中的应用

临床医师

来源：小桔灯网
作者：动力彩虹

近日，来自著名学府威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队，在杂志Nature communications上发表了一篇题为“A role for microfluidic systems in precision medicine”的文章。在此，研究团队回顾了微流控系统在精准医学中的应用，并讨论了功能性微流控系统作为治疗预测因子的当前和潜在未来作用。


图片来源：Nature Communications

精准医学的概念是在21世纪初发展起来的，它承诺为每个患者量身定制癌症治疗，以实现最佳的临床效果。精确肿瘤学是基于使用专门针对患者肿瘤细胞表现出的分子改变的药物，而不是针对基本细胞功能（如细胞增殖）的传统化疗药物。尽管精准医学传统上依赖基因组分析来识别肿瘤细胞中的靶向突变，但分子分析领域已经发展到包括其他分析技术，如RNA测序、蛋白质组学或代谢组学。这些方法均着眼于提高结果预测的准确性。许多因素限制了精准医学的成功，直接评估活细胞治疗反应并考虑其他因素（如起源组织、肿瘤微环境或免疫系统）的功能分析可能提供一个令人信服的补充。总的来说，微流控技术提供了一个多功能工具箱，可以解决当前肿瘤样本采集和分析方面的挑战，并提高功能分析对精准医学应用的预测能力。

一、微流控模型捕捉组织复杂性
传统上，阻碍功能诊断的主要限制是在培养基中成功分离和建立患者来源的细胞；以及准确预测患者反应。在这种情况下，微流控模型可以在这两个挑战方面提供关键优势。首先，微流控模型需要的细胞数量较少，这使得它们能够适应有限大小的样本，例如直径约1 mm的患者活检）。第二，与传统分析相比，微流控模型可能有更好的机会预测治疗反应，因为它们有可能模拟复杂的肿瘤微环境。肿瘤是复杂的3D结构，其中存在多种环境因素，包括营养素、废物、趋化因子、细胞类型（如肿瘤相关的成纤维细胞、巨噬细胞、T细胞和NK细胞）和结构（如血管、细胞外基质）。研究人员在过去几十年中开发了用于多种应用的微流控平台，包括生化梯度生成、单细胞分析、血管生物学、肿瘤生物学和人类生理学。（图1）：


用于功能分析的典型微流控模型。
图片来源：Nature Communications

生化梯度和趋化性的产生。
癌细胞依赖多种信号分子，如生长因子或细胞因子来调节其环境并促进肿瘤生长。微流控设备可以生成高度可预测的流动模式，提供对分子扩散的更多控制。这些梯度发生器已被用于探索多种细胞（如肿瘤、内皮细胞）中多种化合物（如EGF、VEGF）的趋化特性。

机械力量。
最近癌症研究的一个主要焦点是机械力量和3D结构对细胞行为的影响，例如特定的基质结构和刚度、组织变形和流体流动。这些力量调节细胞功能，如增殖和迁移。因此，整合这些线索可能会显著影响细胞对治疗药物的反应。

血管生物学。
微流控平台为研究肿瘤生长过程中血管的形成和重组以及与其他细胞类型的相互作用（如免疫外渗）提供了一个强大的工具。比较先进的模型侧重于捕捉体外血管生成和血管生成。这个模型可以观察到在依赖于肺成纤维细胞的过程中，平台中相互连接的毛细血管的形成。这些平台已被用于研究许多其他生物过程，包括实现血管生成，以及抗血管生成治疗或剪切应力对不同细胞类型的影响。

肿瘤微环境。
实体瘤发展出一种独特的环境，其特点是缺氧、酸性pH、营养缺乏和废物积累，对癌细胞生物学产生深远影响，调节许多细胞功能，如细胞休眠、坏死。多项研究利用微流控设备提供的控制来模拟这些环境线索。人为施加连续氧梯度或者营养梯度，或者利用细胞代谢产生氧气和营养梯度。这些平台还允许从不同的空间位置（即营养良好与饥饿区域）提取细胞，用于下游分析和亚培养，以研究细胞应激反应和弹性。许多其他微流控平台旨在通过将癌细胞与相关基质细胞（如成纤维细胞）共培养来模拟肿瘤微环境的细胞组成和组织。免疫细胞可能在肿瘤微环境中发挥双重作用，根据具体情况促进或支持肿瘤生长。

已经开发了几种以实体肿瘤为特征的肿瘤模型，来研究免疫细胞的影响。这些模型已被用于研究免疫调节剂（如免疫细胞因子、免疫检查点抑制剂）和基因工程免疫细胞（如肿瘤生长的CAR T和NK细胞）对肿瘤生长的影响。鉴于免疫治疗在癌症治疗中日益重要，这些微流控模型重现肿瘤免疫微环境关键方面的能力可能对精准医学非常重要。

二、临床中的微流控模型
为临床设计的微流控设备大致分为两种不同的应用：（1）用于分子诊断的分析物检测，（2）用于功能诊断的疾病建模。前一种应用侧重于检测，甚至在某些情况下量化特定分析物（例如肿瘤抗原、基因突变）的存在，以诊断或告知临床决策。第二个应用包括那些设计用于分析活细胞功能反应的微流控系统，这些系统具有临床潜力，但尚未建立。

用于分析物检测和分子诊断的微流控模型。
分子诊断通常依赖于检测或量化给定突变或蛋白质的表达。研究人员探索了这些技术在癌症诊断中的各种应用。大多数此类系统包括具有特定几何形状的微流控通道，设计用于分离样本（例如全血）中存在的不同分析物（例如循环肿瘤细胞（CTC）和血细胞）。接下来，收集纯化的分析物进行下游分析，或在某些情况下在微流控装置内进行原位分析。研究人员使用微流控设备分析了大量来自人类样本的分析物，包括CTC、蛋白质、循环肿瘤DNA（ctDNA）和外泌体。总的来说，用于分子分析的微流控设备在过去十年中取得了重大进展，可以说，它们已经准备好为其他传统技术提供一种有竞争力的替代方法，特别是在CTC领域。然而，它们在分析再现性、试剂固定化、保质期或制造成本方面仍有改进的潜力。


用于分子诊断的微流控模型。
图片来源：Nature Communications

肿瘤学功能诊断的微流控模型。
微流控模型和器官芯片平台可以更好地模拟某些癌症预测反应所需的组织复杂性。随着微技术的不断发展，临床上已经在探索这些模型的使用。

功能性微尺度分析目前是
评估实体瘤细胞毒性的焦点。
最近的一项研究提出了一种微流控分析方法来评估乳腺癌标本的转移潜能，揭示了高度迁移细胞的特定表型和基因型，与动物模型中的转移能力相一致。这项研究有助于精确定位特定的分子改变，如RAS或PI3K途径突变，这些突变与以临床试验化合物为靶点的迁移增强和转移潜能有关，以评估对细胞迁移的治疗效果。该模型有助于根据肿瘤转移潜能对患者进行分层，以确定有效的治疗方案。

新兴的器官芯片设备（如lung-on-a-chip或eye-on-a-chip）为评估复杂的生物过程（如癌症转移或药物代谢动力学）提供了新的平台。最近的一项研究从不同的头颈癌患者中分离出成纤维细胞，并在微流控装置中将其与仿生淋巴管共同培养（图4A）。分子和功能分析表明，CAFs通过调节周围淋巴管系统来增强转移潜能。其他作者还利用微流控设备快速识别会导致严重偏离目标和有害副作用的药物。


微流控设备评估治疗反应的巨大潜力。
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功能分析的传统局限性之一是，与分子测试相比，功能分析的吞吐量有限，因为分子测试可以同时分析许多分子靶点（如HER2、EGFR）。因此，研究人员也在利用微流控设备生成高通量系统，以简化数十种甚至数百种候选药物的筛选过程。为了克服这个问题，Rodriguez等人开发了一种微孔板阵列，用于培养连接到高度复杂通道网络的患者源性肿瘤类器官。每个通道还连接到一个单独的药物库，允许监测药物反应。

总的来说，积累的证据表明，微流控模型可以为精准医学提供一个强大的工具。有必要进行更多更大规模的研究，但微流控模型已经朝着精准医学和功能诊断方向发展。

三、功能微流控：挑战与未来方向
从技术角度来看，微流控模型正变得足够强大和成熟，可用于临床场景。在这里，研究团队讨论了当前和未来必须克服的挑战，以使下一代功能精确肿瘤学成为现实。

工程和技术挑战。
大多数微流控器件都是用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制造的，它非常适合制作新器件的原型。然而，PDMS存在严重的局限性，包括生产量低或吸收小的疏水化合物（如化疗剂）。替代材料（如聚苯乙烯、COP、PMMA）绕过了这些限制，目前正在学术界和工业界使用。另一个需要解决的挑战是微型设备的操作复杂性，与临床上使用的其他技术（如免疫组织化学、PCR）相比，这种复杂性仍然很高。为了解决一致性问题，病理学实验室和制造公司需要制定标准化的指南和协议，使微流控模型在不同实验室、医院和机构中更为接近和普遍，以确保成功转化为临床。

微流控器官型系统中的肿瘤异质性。
肿瘤内异质性是精确肿瘤学面临的一个重大挑战。肿瘤是一种空间异质结构，根据所分析的特定组织片段，可以显示不同的遗传、蛋白质和功能（即药物反应）图谱。虽然这个问题没有明确的解决方案，但功能性微流控分析所需的少量细胞有助于缓解这个问题。微流控技术能够从不同的活检部位创建多个模型，提供更全面的肿瘤表型图片。

患者来源样本处理。
多项研究表明，通过化学/机械消化、细胞分离和培养扩增进行样品处理会导致许多改变，包括分子标记物丢失、细胞活力降低或肿瘤微环境破坏。这种分子/功能图谱的改变可能会使患者衍生样本的结果产生偏差。微流控技术可以通过使用精确的流体流动来机械破坏组织，从而有助于解决这个问题。此外，由于只需要少量细胞，可能不需要体外扩增，有助于保持体内表型。

验证临床使用的新体外模型。
功能性微流控模型的最终目标是改善患者的预后。为了实现这一目标，未来的研究将在功能模型的不同配置中分析药物反应，并与患者反应进行比较，从而确定最具预测性的配置和读数。个性化模型应包括预测患者反应所需的最低生物学复杂性，并忽略可能使系统复杂化的不必要特征。只有通过多学科团队（包括医生、科学家、工程师和数据分析师）的共同努力，才能确定适当的配置和读数。


分子和功能诊断中微流控设备的潜在工作流程。
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结论

随着癌症的复杂性和适应性不断被揭示，以基因组为中心的精确肿瘤学方法可能不足以应对最近治疗进展带来的临床挑战和临床机遇。值得庆幸的是，最近的技术进步正在促成一种更加综合的精确肿瘤学范式。这种情况为功能性微流控分析提供了机会，它可以及时捕获癌症适应的复杂行为和随后对治疗的反应。研究团队预计，功能性微流控分析将补充基于组学的学科，推动下一代癌症护理中精确肿瘤学的成功实施。

最近基于细胞的免疫疗法的成功证明了功能性方法可以应用于临床。转基因免疫细胞的制造也是一个非常复杂的协议，标准化协议对于保证产品的效率和安全至关重要。美国食品和药物管理局（FDA）、欧洲药物管理局（European Medical Agency）和其他类似机构正在制定指南，以便在医疗系统中实施这些基于细胞的免疫疗法在医疗系统中实施功能分析。我们相信，监管机构可以根据最近和即将到来的临床前和临床数据，为功能性微流控分析制定类似的指南。

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