我们介绍了一种微流控芯片上的癌症模型,即"进化加速器"技术,该技术可在明确定义的环境条件下,在单细胞水平上对癌症动态进行长期、实时、定量的可控研究。该技术有望作为基础研究或临床前药物开发的体外模型。
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我们介绍了一种微流控芯片上的癌症模型,即"进化加速器"技术,该技术可在明确定义的环境条件下,在单细胞水平上对癌症动态进行长期、实时、定量的可控研究。该技术有望作为基础研究或临床前药物开发的体外模型。
传统的细胞培养仍然是最常用的临床前模型,尽管其在预测癌症临床结果方面的能力已被证实存在明显局限。微流控芯片上的癌症模型被提出,旨在弥合过于简化的传统二维培养与更为复杂的动物模型之间的差距,后者在产生可靠且可重复的定量结果方面能力有限。本文介绍一种微流控芯片上的癌症模型,该模型能够全面地重现复杂肿瘤微环境的关键组分,同时结构足够简单,可对癌症动态提供稳健的定量描述。这种微流控芯片上的癌症模型——"进化加速器"——将大量癌细胞群体分解为相互连接的肿瘤微环境阵列,同时生成异质性的化疗药物压力分布。通过该系统,可在数周内实时监测癌症在药物浓度梯度作用下的进展及进化动态,并可在实验过程中结合延时成像,开展多种下游实验。
癌症 increasingly 被认为是一个复杂的生态系统,其不仅依赖于突变细胞群体的持续失调,还依赖于癌细胞与宿主微环境之间的关键相互作用。从这一角度来看,癌症的演化发生在一个由多种因素构成的适应性景观中,包括异质性的肿瘤微环境以及与多种宿主细胞的交互对话,这些因素共同施加选择压力,促使进一步的遗传或表观遗传改变1,2,3。在实体瘤的背景下,化疗药物及其他资源梯度的不均匀分布导致了其分子异质性,并可能在耐药性的产生、特定肿瘤亚群的血管生成增强乃至转移过程中发挥重要作用4,5,6。传统的体外二维细胞培养研究虽然具备大规模、操作便捷的实验能力,但所提供的均一、静态和均场条件往往缺乏精确的空间与时间环境控制,难以真实模拟体内肿瘤的动态行为。因此,在药物研发流程中,需要在动物模型之前建立更具代表性的离体模型,以更准确地预测癌症的进展以及在动态应激环境下对药物的反应。微流控技术被认为有望弥合二维细胞培养研究与更复杂的体内动物研究之间的鸿沟,后者可能难以支持可控的定量研究7,8,9。
一种理想的体外系统,应能够生成异质性微环境,以模拟肿瘤中可能发生的适应性细胞反应,同时能够在单细胞分辨率下观察这些动态过程。本文介绍了一种微流控细胞培养平台,即一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的装置,称为“"进化加速器"(EA),该平台可在数周时间内实现对癌细胞动态的并行体外研究,具备细胞级分辨率和实时数据采集能力,同时在培养区域内稳定维持应力梯度。该平台的设计基于我们先前的研究工作,即在某种条件下,异质种群中生物体的进化动态可以被加速10,11。具体而言,在一组空间上分离但存在一定程度相互作用的种群中,当暴露于异质性应激环境中时,适应性最强的物种相较于大型均一环境中的种群,能更快地在局部种群中占据主导地位。随后,这些优势物种会迁移到邻近的微环境中以获取资源和空间,并最终主导整个种群。如图1所示,微流控EA芯片的结构包括:(i)一对蛇形通道,用于提供新鲜培养基循环,并为化学物质扩散建立固定的边界条件;(ii)位于中心的六边形细胞培养区域,由109个相互连接的完整六边形腔室和24个半六边形腔室组成,呈蜂窝状结构。芯片深度为100 µm。培养基通道与细胞培养区域之间通过宽度约为15 µm的狭缝连接,这种设计可防止培养区域产生直接的培养基流动及由此引起的剪切应力,同时仍允许化学物质通过狭缝扩散,并实现营养物质、代谢废物等的交换。化学梯度的形成如图1B所示,其中一个培养基通道含有0.1 mM荧光素,而另一通道不含荧光素。细胞培养于一层透气膜上,通过膜对芯片施加正向背压,使微结构将膜封装固定。装置支架的组成部分如图2所示,实验装置如图3所示,其中培养过程在倒置显微镜下进行,温度维持在37 °C,相对湿度高于85%,并处于常氧气体环境中。
该系统通过明场和荧光通道实现对局部细胞相互作用的详细观察,并可进行空间分辨的下游检测,如免疫荧光、蛋白质印迹或质谱分析。我们先前已以微流控芯片上癌症模型为例,验证了其原理,实现了上皮性和间充质性PC3前列腺癌细胞的长期共培养12,并利用上皮性PC3细胞系观察到耐药性多倍体巨癌细胞的出现13。尽管本文展示了该平台在多西他赛压力梯度下研究上皮性PC3细胞与间充质性前列腺癌细胞时空动态行为的应用,但该微流控系统亦可轻松应用于其他任何细胞系组合以及资源梯度(如药物、营养物质、氧气)的研究。
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1. 微流控装置的制备
2. 培养基与细胞系的准备
3. 实验装置
4. 单细胞延时成像
5. 图像处理与分析
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芯片上细胞最佳生长的验证
实验平台的主要目标是以全面但足够简洁的方式重现复杂肿瘤微环境中关键的组分与相互作用,从而提供定量、可靠且可重复的数据。只有在我们能够完全控制物理和生物化学环境因素的情况下,才能实现这一目标。我们必须排除不需要的因素,或找到将不可控因素纳入定量模型的方法,以正确解读群体行为。
第一个测试是确保细胞在装置上的最佳生长状态。该装置上的细胞增殖速率必须与传统细胞培养中的生长特征相同或相近。作为原理验证,将人前列腺癌细胞系PC3细胞在无外界应力条件下培养于PDMS芯片中。这些细胞的细胞质经荧光标记,以便通过倒置荧光显微镜观察并定量细胞数量。细胞汇合度(定义为细胞覆盖的面积)通过Fiji15软件对荧光图像设定特定荧光强度阈值后,在不同时间点对每个微环境区域进行测量。各选定位置的细胞生长曲线如图4
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传统的细胞培养技术发展于近一个世纪前,尽管其在癌症研究中预测临床结果的能力已被证实存在局限性,但至今仍是生物医学研究中最常用的临床前模型。17动物模型在生理相关性和遗传相似性方面与人类最为接近,但长期以来人们也认识到其在预测人类结果方面存在显著局限性18在所有现有的临床前模型中,基于微流控技术的器官芯片癌症模型似乎是满足癌症研究未竟需求的最有前景的候选者9,19,20然而,目前的芯片上癌症模型尚未提供一个能够全面模拟肿瘤微环境关键组分和相互作用,同时又足够简单以获得可靠且可重复的定量数据的平台。我们的代表性数据表明,我们开发的微流控细胞培养技术可为异质性微环境中长期细胞培养提供稳定的物理和生化条件环境。该多功能平台可对时间进行精密调节依赖性化学梯度以及环境气体成分。该平台具有便携性,并可与大多数荧光倒置显微镜兼容,用于高高...
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本工作由 NSF PHY-1659940 资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10 mL BD Luer-Lok 尖端注射器 | BD | 14-823-16E | |
| 抗生素-抗真菌素 | Sigma-Aldrich | A5955 | 1x 抗生素-抗真菌素混合液 |
| AZ 300 MIF | Merck KGaA | 18441123163 | 光刻胶显影液 |
| AZ1518 | Merck KGaA | AZ1518 | 光刻胶 |
| AZ4330 | Merck KGaA | AZ4330 | 光刻胶 |
| Cr 铬蚀刻剂 | Sigma-Aldrich | 651826 | |
| 胎牛血清(FBS) | Life Technologies Corporation | 10437028 | |
| Heidelberg DWL 66+ 激光直写系统 | Heidelberg Instruments | DWL66+ | 用于制作光掩模 |
| 六甲基二硅氮烷(HMDS) | Sigma-Aldrich | 379212 | 用于增强光刻胶附着力 |
| 空心不锈钢针 | New England Small Tube | NE-1300-01 | .025 外径,.017 内径,长 .500 / 304 型,全硬态 |
| ibidi 多孔板加热系统,K-Frame | ibidi | 10929 | 载物台培养箱 |
| Luer-Lok 23 G 分液针头 | McMaster-Carr | 75165A684 | 用于连接注射器与管路 |
| Lumox 35 培养皿 | Sarstedt | 94.6077.331 | 透气性细胞培养皿 |
| Microposit 去除剂 1165 | Dow Electronic Materials | Microposit Remover 1165 | 光刻胶剥离剂 |
| Microseal B 粘合密封膜 | Bio-Rad Laboratories | MSB1001 | 粘合密封剂 |
| O 型圈(用于 Lumox 培养板密封) | McMaster-Carr | 9452K114 | 编号 27;内径 1-5/16",外径 1-7/16";硬度 Duro 70 |
| O 型圈(用于底部玻璃窗密封) | McMaster-Carr | 9452K74 | 编号 20;内径 7/8",外径 1";硬度 Duro 70 |
| Plasma-Preen 等离子清洗/刻蚀系统 | Plasmatic Systems, Inc | Plasma-Preen | 氧气等离子体系统 |
| RPMI 1640 培养基 | Life Technologies Corporation | 11875-093 | |
| Samco RIE800iPB 深反应离子刻蚀系统 | Samco | RIE800iPB | 深反应离子刻蚀系统 |
| Suss MA6 掩模对准器 | SUSS MicroTec | MA6 | 掩模对准器 |
| Sylgard 184 硅橡胶弹性体 | Fisher Scientific | NC9285739 | PDMS 弹性体 |
| TePla M4L 等离子刻蚀机 | PVA TePla | M4L | 等离子刻蚀机 |
| 三氯-1H,1H,2H,2H-全氟辛基硅烷(PFOTS) | Sigma-Aldrich | 448931 | 用于硅片硅烷化处理 |
| Tygon 微孔管(0.020" × 0.060" 外径) | Cole-Parmer | EW-06419-01 | 用于培养基输送的管路 |
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