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医学黑科技:肺上芯片技术

2018-01-04 00:00

 

医学黑科技:肺上芯片技术

 

 

        癌症研究人员已经明白,通过在皮肤下注入癌细胞在小鼠中产生人肿瘤并不概括肿瘤如何正常出现并传播到人体的特定器官,也不反映它们如何对抗癌药物的反应。因此,他们转而注意在人类的器官部位注射肿瘤细胞,即所谓的“原位”部位。原位肿瘤,例如通过将乳腺癌注射到小鼠的乳腺脂肪垫中产生的肿瘤,显示出更像在患者中观察到的肿瘤生长和转移的行为,然而,这些器官环境仍然不是人类的。在这些原位动物模型中,也不可能看到肿瘤细胞如何生长,移动和应对治疗,这限制了我们了解不同器官微环境如何影响肿瘤的行为,从而开发更好的药物的能力。

 

        据“细胞报告”(Cell Reports)报道,由创始人兼Wyss Core教授唐纳德·英伯格(Donald Ingber)率领的Wyss生物启发工程研究所的一个团队现在利用其人体器官芯片技术来应对这一挑战。在以前的工作中,该小组成功地模拟了两个不同的肺部区域。不同的肺细胞居住在通过芯片平行延伸的两个微通道。

 

        像人肺一样,所产生的小呼吸道上皮更厚,更硬,覆盖着移动的纤毛,而较薄的肺泡上皮更可渗透,以实现有效的气体交换。该团队以前表明,他们可以成功地模拟肺部疾病,包括慢性阻塞性肺疾病(COPD),哮喘和肺水肿。

 

        在这项新的研究中,该团队使用这两种肺片开发了人类原位肺癌模型。大约85%的肺癌被诊断为非小细胞肺癌(NSCLC),该小组着重于该癌症的腺癌形式,大约占所有非小细胞肺癌的40%。在人体中,非小细胞肺癌腺癌细胞出现在人肺小气道和肺泡之间的界面处。但肿瘤主要在肺泡结构内生长。

 

        Ingber的研究小组表明,当非小细胞肺癌的腺癌细胞在肺气道和肺泡芯片中生长时,肿瘤细胞在微型工程化肺泡微环境中大幅增长,而在气道芯片中保持静止,正如人类患者所观察到的那样。

 

        为了实现这一点,研究人员开发了电镀和注射策略,使他们能够将少量非小细胞肺癌的细胞稳定地整合到两个肺芯片中。“这种方法使我们能够重现这种癌症的关键特征,包括其生长和入侵模式,并确定它们如何受到周围正常细胞的影响。”

 

        接下来,该小组调查了肺泡内的生理呼吸运动是否可能影响癌细胞行为。令人惊讶的是,他们发现当循环机械力施加到肺上皮通道以模拟呼吸运动时,癌细胞生长和侵袭都被有效地抑制。研究人员认为,当肺癌细胞生长并充满患者肺泡时,会干扰其自然运动,从而加速肿瘤生长并促进侵入性行为。

 

        最后,他们进一步研究了呼吸机制是否会影响非小细胞肺癌的细胞对临床使用的抗癌药物(称为酪氨酸激酶抑制剂(TKI))的敏感性。

 

        重要的是,Ingber的研究小组发现,在肺泡癌芯片中,已经耐受第一代TKI的非小细胞肺癌细胞在没有呼吸运动的情况下,仍然可以被第三代TKI在其轨道上冷却下来。
 

 


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