近日,清华医学院生物医学工程系杜亚楠课题组于生物材料领域国际权威期刊 《生物材料》(Biomaterials)在线发表了题为“High Throughput Scaffold-Based 3D Micro-Tumor Array for Efficient Drug Screening and Chemosensitivity Testing“的研究论文。该研究基于微加工制备的三维(3D)生物支架材料构建高通量肿瘤模型阵列对在体药效进行了有效预测,为新药开发和个体化治疗的药物筛选提供了可靠的技术平台(图1)。

        
        图1:通过将肿瘤细胞系、人源肿瘤异种移植模型(PDX)来源或者肿瘤病人来源的肿瘤细胞接种到3D微支架阵列上经过体外培养形成3D微肿瘤阵列(3D-MTA)。此3D-MTA能与常规高通量仪器(如移液工作站、酶标仪和高内涵仪器)匹配,实现高通量药物筛选和个体化药物敏感检测。

        大量研究报道证实3D环境下培养的细胞在细胞形态、细胞间相互作用、药物靶点基因表达和药物作用信号通路等方面都比传统的二维(2D)平面培养环境更加接近天然的人体组织。于此同时,随着细胞外基质对发育和疾病的影响得到越来越多的证实,融合了细胞外基质的3D细胞培养体系(即生物材料辅助的细胞培养体系)也逐渐被应用于构建仿生的药物筛选模型。然而目前基于生物材料的3D模型制备和操作均较为复杂,难于实现药物筛选的高通量和高效率,并且其预测体内药物反应的准确性还有待证实。

        杜亚楠课题组自主研发的“即用型”3D细胞培养板,包含了 384个独立的生物材料微支架单元,使3D细胞培养更便捷、高效。可形成均一度高(CV<15%)、高通量筛选效果好(Z-因子 >0.5)的3D肿瘤微组织阵列(3D-MTA),实现体内药物疗效的有效预测,为精准药物筛选提供了平台系统。3D-MTA可与常规高通量筛选仪器,如移液工作站、酶标仪、高内涵仪器等兼容,便于大规模推广和应用。通过对比3D-MTA和2D环境下培养的10株肿瘤细胞系对临床常用的14种化疗药物的反应,表明3D肿瘤微组织对药物的耐药性显著高于2D环境下培养的肿瘤细胞。本研究进一步以非小细胞肺癌细胞系为代表,将筛选的药效结果与小鼠异位皮下瘤模型进行了对比。结果显示3D-MTA比2D能更有效的预测药物对小鼠异位皮下瘤的抑制作用,预示了3D-MTA在药物筛选的准确性。除化疗药物外,本平台亦适用于肿瘤靶向药的耐药性分析。EGFR靶向药物吉非替尼(gefitinib)的抗肿瘤效果在3D-MTA中和2D相比显著降低 。基因分析结果显示3D-MTA中的耐药机制可能与上皮-间质转化和MAPK通路上调有关。根据耐药性机理,进一步对MAPK抑制剂化合物库进行了高通量筛选,发现了三种MAPK抑制剂(pimasertib、U0216-EtOH和TAK-715)可与EGFR靶向药联合使用,显著增强了对肿瘤细胞的抑制效果。

        最后本研究将非小细胞肺癌患者的原代肿瘤组织移植到免疫缺陷小鼠中制成病人肿瘤移植模型(PDX),同时用分离得到的原代肺癌细胞构建3D-MTA,对比此两种模型对于临床上常用的四种药物组合的药敏差异,结果显示3D-MTA与PDX体内的药效评价结果一致,表明其对于药物的体内疗效具有良好的预测性。此外来源于不同患者的3D-MTA表现出不同的药敏反应,为癌症的个体化药物筛选和精准用药提供了潜在的评价方法和平台。

        综上,本文通过对细胞系和原代肿瘤细胞的体内外实验对比,揭示了3D-MTA的药效评价效果与体内更为相似,有望作为传统2D细胞培养与体内模型的桥梁,成为预测体内药效更有效的体外细胞模型。同时,由于3D-MTA可使用来自癌症患者的自体细胞,因此可提供精准的用药指导方案,也为药物研发机构提供具有临床价值的数据,加速药物研发和临床使用指南的制定。

        清华大学医学院长聘副教授杜亚楠与北京大学人民医院胸外科主任王俊为本论文共同通讯作者,杜亚楠研究组2015级生物医学工程系博士生鄢晓君和2016级联合培养项目(PTN)博士生周律为本文的共同第一作者。人民医院胸外科的杨凡主任、陈修远博士和王讯提供了肺癌样本、北京百奥赛图的郭雅南博士和吴敏博士提供了PDX小鼠实验的数据。杜亚楠研究组的吴钊钊、陈宇扬和李文静参与了本项研究。本研究得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、国家重点研发计划及北京清一创新投资管理有限公司的资金资助。

        ◎原文链接:https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.05.020