清華新聞網(wǎng)5月14日電 近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉鵬課題組聯(lián)合北大人民醫(yī)院王俊院士團(tuán)隊(duì)、北京航空航天大學(xué)陳曉芳課題組結(jié)合微流控芯片與腫瘤類(lèi)器官技術(shù)，開(kāi)展了跨領(lǐng)域、面向臨床的聯(lián)合攻關(guān)，開(kāi)發(fā)出全新的集成超疏水微孔陣列芯片（InSMAR-chip），可在一周內(nèi)獲得腫瘤類(lèi)器官藥敏預(yù)測(cè)結(jié)果，極具臨床轉(zhuǎn)化前景。
精準(zhǔn)治療時(shí)代，腫瘤體外藥敏預(yù)測(cè)是個(gè)體化治療的重要研究方向。近年來(lái)腫瘤類(lèi)器官技術(shù)取得重要進(jìn)展，在多個(gè)癌種中均開(kāi)發(fā)出預(yù)測(cè)患者對(duì)于藥物抗癌療效的體外模型。但在肺癌領(lǐng)域，腫瘤類(lèi)器官模型的構(gòu)建和應(yīng)用受限于效率和時(shí)耗等問(wèn)題，較其他癌種更為困難。
本研究中，作者將微流控芯片與腫瘤類(lèi)器官這兩項(xiàng)前沿技術(shù)結(jié)合，顯著提高了對(duì)腫瘤患者抗癌藥物臨床療效預(yù)測(cè)的效率和時(shí)效。首先，作者改進(jìn)了腫瘤樣本的處理方法，采用機(jī)械處理方法從103例手術(shù)切除和活檢的新鮮腫瘤組織中培養(yǎng)出大量肺癌類(lèi)器官（lung cancer organoids, LCOs），證實(shí)LCOs保留了親代腫瘤的組織學(xué)與遺傳學(xué)特征，并具有無(wú)限傳代擴(kuò)增的潛力，最終類(lèi)器官培養(yǎng)成功率為79%。
圖1 從患者腫瘤中建立LCOs，用于隨后長(zhǎng)期培養(yǎng)以及為期一周的InSMAR-chip上藥物敏感性試驗(yàn)流程圖
作者所建立培養(yǎng)的LCOs保留了原始腫瘤組織的組織學(xué)和遺傳學(xué)特征，并且能在長(zhǎng)期體外培養(yǎng)和傳代后保持穩(wěn)定，下圖結(jié)果表明第0代的LCOs具有腫瘤類(lèi)器官的主要特征。
圖2 肺癌組織和衍生的腫瘤類(lèi)器官的H&E和免疫組化染色對(duì)比圖
圖3 肺癌組織、LCOs對(duì)全基因組拷貝數(shù)變異（CNV）的熱圖。肺癌組織中DNA拷貝數(shù)增加（紅色）和減少（藍(lán)色）在相應(yīng)的腫瘤類(lèi)器官中保存，且所有LCOs均可見(jiàn)信號(hào)放大。
研究中，作者將開(kāi)發(fā)的InSMAR-chip用于LCOs的高通量三維培養(yǎng)和分析。該芯片具有通量高、體積小、節(jié)約樣本和試劑并可進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤和尋址的特征，其表面由于注入了超疏水涂層，使得微孔之間具有物理隔絕，保證了每個(gè)微孔獨(dú)立的液體環(huán)境，便于加樣和換液的操作，此外，芯片微孔間距與1536孔板保持一致，更適配商用的成像及檢測(cè)儀器。
圖4 在微孔中具有液滴陣列的InSMAR-chip芯片圖（左）；芯片上一周藥物敏感性試驗(yàn)的流程圖（右）
由于芯片上的微孔體積為納升量級(jí)，大幅降低樣本消耗量和培養(yǎng)時(shí)耗，僅在一周時(shí)間內(nèi)完成藥物反應(yīng)的測(cè)試，并獲得藥敏結(jié)果。作者基于LCOs進(jìn)行了為期一周的藥物敏感性測(cè)試并對(duì)肺癌靶向藥物的療效預(yù)測(cè)，可獲得早于NGS檢測(cè)的療效預(yù)測(cè)結(jié)果，并與基因突變結(jié)果一致。另外，為期一周的藥物敏感性試驗(yàn)還代表了腫瘤對(duì)化療的反應(yīng)異質(zhì)性。
圖5. EGFR突變型LC132O和EGFR野生型LC133-O擬合的劑量-反應(yīng)曲線(xiàn)提示兩例腫瘤對(duì)靶向藥物敏感性的差異，與臨床結(jié)果非常一致（左）；肺癌類(lèi)器官對(duì)順鉑化療的異質(zhì)性反應(yīng)（右）
綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)建立了一套有效的肺癌樣本處理和分析方法，成功將藥敏試驗(yàn)縮短至一周，相比基于PDO的藥敏試驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)周甚至數(shù)月的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，新方法的時(shí)效性?xún)?yōu)勢(shì)突出，檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)符合臨床實(shí)踐的要求。使用InSMAR-chip進(jìn)行LCOs藥物敏感性檢測(cè)的結(jié)果，通過(guò)與PDX模型、基因突變和臨床實(shí)際療效的對(duì)比，均證實(shí)能夠預(yù)測(cè)體內(nèi)腫瘤對(duì)抗癌藥物的反應(yīng)，并具備藥物篩選的潛力。相信這項(xiàng)芯片與類(lèi)器官結(jié)合的前沿技術(shù)會(huì)為腫瘤類(lèi)器官預(yù)測(cè)藥物臨床反應(yīng)帶來(lái)新的突破，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)協(xié)同努力，期待將這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)發(fā)展出更多的應(yīng)用場(chǎng)景，并轉(zhuǎn)化于臨床，打通精準(zhǔn)醫(yī)療的最后一公里。
該研究成果以“利用超疏水微陣列芯片對(duì)患者來(lái)源類(lèi)器官進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)在一周時(shí)間內(nèi)快速預(yù)測(cè)肺癌患者對(duì)藥物反應(yīng)”（Patient-derived organoids analyzed on a superhydrophobic microwell array for predicting drug response of lung cancer patients within a week）為題，于5月10日在線(xiàn)發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉鵬副教授、北京大學(xué)人民醫(yī)院胸外科王俊院士、北京航空航天大學(xué)陳曉芳副教授為該論文通訊作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士胡亞偉、北京大學(xué)人民醫(yī)院胸外科副主任醫(yī)師隋錫朝為本文共同第一作者。本項(xiàng)目的研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22676-1.
供稿：醫(yī)學(xué)院
編輯：李華山
審核：李晨暉
