預(yù)測(cè)個(gè)體對(duì)腫瘤藥物的響應(yīng)有助于指導(dǎo)治療決策和提高腫瘤患者生存率。目前，雖然腫瘤病理學(xué)、組織學(xué)和分子圖譜正被整合到個(gè)性化醫(yī)療中，以指導(dǎo)治療決策。然而，在個(gè)性化醫(yī)療中評(píng)估腫瘤對(duì)免疫治療的反應(yīng)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)印第安納大學(xué)布魯明頓分校（Indiana University Bloomington）郭峰課題組開發(fā)了一種基于微流控的微型腫瘤芯片，用于預(yù)測(cè)和評(píng)估癌癥免疫治療的療效。相關(guān)研究成果以“Evaluation of cancer immunotherapy using mini-tumor chips”為題發(fā)表在Theranostic上。

傳統(tǒng)腫瘤體外模型，例如原代細(xì)胞培養(yǎng)，腫瘤異種動(dòng)物模型（PDX）和腫瘤類器官只能保留病人腫瘤中的腫瘤細(xì)胞成分，而無(wú)法復(fù)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中其他組成成分，特別是免疫細(xì)胞的組成、表型以及對(duì)免疫檢查點(diǎn)抑制劑（ICI）治療的響應(yīng)。在此項(xiàng)研究中，研究人員利用微流控芯片技術(shù)，將消化的腫瘤組分在微孔中重新形成細(xì)胞組分和原腫瘤一致的微型腫瘤。微型腫瘤保留原腫瘤細(xì)胞組分的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)觀察免疫細(xì)胞之間以及免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的相互作用。并且可以平行分析病人原代腫瘤對(duì)多種藥物，尤其是對(duì)ICI的響應(yīng)。

為了再現(xiàn)體內(nèi)腫瘤微環(huán)境（TME），研究人員設(shè)計(jì)了具有3個(gè)關(guān)鍵特性的微型腫瘤芯片：（1）包含16個(gè)通道的大型微孔陣列，每個(gè)通道60個(gè)孔，以對(duì)960個(gè)腫瘤細(xì)胞成分進(jìn)行分析；（2）16個(gè)平行進(jìn)樣口，允許對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行16種獨(dú)立處理研究；（3）半分離反應(yīng)器，保障有效的細(xì)胞灌注和原位細(xì)胞間的相互作用，同時(shí)局部保留細(xì)胞因子梯度（圖1）。

圖1 微型腫瘤芯片的工作原理

為了進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證微型腫瘤芯片，研究人員首先探索了輸注細(xì)胞濃度和每個(gè)微型腫瘤微孔細(xì)胞數(shù)之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)每微孔的細(xì)胞數(shù)量與輸注細(xì)胞濃度成比例增加。此外，研究人員通過流式細(xì)胞術(shù)（flow cytometry）比較了原發(fā)性腫瘤和微型腫瘤芯片的細(xì)胞成分。數(shù)據(jù)表明，微型腫瘤芯片上的細(xì)胞成分可以代表原發(fā)腫瘤的細(xì)胞成分。接下來，研究人員檢測(cè)了抗程序性細(xì)胞死亡蛋白-1（programmed death-1，PD-1）抑制劑治療后的腫瘤細(xì)胞活力。結(jié)果顯示，細(xì)胞可以在最初的24h內(nèi)保持高活力，在36h時(shí)活力略有下降。為了測(cè)試3D微環(huán)境是否可以更好地體現(xiàn)腫瘤的藥物反應(yīng)，對(duì)接種到微型腫瘤芯片上的腫瘤細(xì)胞與2D培養(yǎng)的96孔板中的腫瘤細(xì)胞進(jìn)行了抗PD1對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在微型腫瘤芯片中培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞顯示出對(duì)抗PD1的顯著響應(yīng)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證微型腫瘤芯片并展示其在評(píng)估腫瘤對(duì)抗PD1治療響應(yīng)中的應(yīng)用，研究人員利用C57BL6小鼠（n=20）建立了原位EO771腫瘤模型，并對(duì)荷瘤動(dòng)物進(jìn)行一系列抗PD1治療（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)小鼠對(duì)抗PD1治療具有抗藥性，只有少數(shù)小鼠對(duì)抗PD1治療具有良好的響應(yīng)。接著，研究人員從超級(jí)響應(yīng)者（Responder，RS：其腫瘤體積在第18天消退）以及典型的無(wú)響應(yīng)者（Non-Responder，NS：盡管實(shí)施了抗PD1治療，腫瘤體積仍顯示持續(xù)增長(zhǎng)）中分離出原位腫瘤，并接種到微型腫瘤芯片上。研究發(fā)現(xiàn)，微型腫瘤芯片忠實(shí)的再現(xiàn)了體內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)果。在抗PD1處理12h后，可以觀察到RS和NR腫瘤細(xì)胞活力之間的顯著差異，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，差異更加顯著。此外，研究人員分析了RS和NR腫瘤的成分組成，發(fā)現(xiàn)與NR腫瘤相比，RS原發(fā)性腫瘤具有顯著更高的CD4?和CD8? T細(xì)胞組成。

圖2 基于微型腫瘤芯片分析原位腫瘤對(duì)抗PD1治療的響應(yīng)

由于不同的腫瘤成分、T細(xì)胞浸潤(rùn)和腫瘤PD-L1表達(dá)等，患者對(duì)抗PD1治療的響應(yīng)差異很大。因此，預(yù)測(cè)患者對(duì)抗PD1治療的響應(yīng)對(duì)疾病預(yù)后以及對(duì)患者進(jìn)行分層具有很大的意義。結(jié)果顯示，PD-L1基因剔除（PD-L1 knockdown，PD-L1 KD）小鼠對(duì)抗PD1治療的響應(yīng)最好，這與基于腫瘤芯片的預(yù)測(cè)一致（圖3）。

圖3 基于微型腫瘤芯片預(yù)測(cè)原位腫瘤對(duì)抗PD1治療的響應(yīng)

為了測(cè)試微型腫瘤芯片是否可用于ICI藥效評(píng)估，研究人員從患有雌激素受體和孕激素受體陽(yáng)性（ER+ PR+）或三陰性乳腺癌（TNBC）患者以及腎細(xì)胞癌（RCC）患者身上采集了原發(fā)性腫瘤。研究發(fā)現(xiàn)來自ER+ PR+、TNBC和RCC患者的原發(fā)性腫瘤細(xì)胞，可以不同的速率對(duì)微型腫瘤芯片上的抗PD1治療作出響應(yīng)（圖4）。這種響應(yīng)突出了微型腫瘤芯片在探尋ICI對(duì)不同患者療效的差異性以及未來個(gè)性化治療應(yīng)用的潛力。

圖4 基于微型腫瘤芯片監(jiān)測(cè)癌癥患者腫瘤樣本對(duì)抗PD1治療的響應(yīng)

論文鏈接：

https://doi.org/10.7150/thno.71761

審核編輯 ：李倩