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　　微流控技術(shù)是一種通過(guò)微小的通道和微型裝置對(duì)流體進(jìn)行精確操控和分析的技術(shù)。它是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的一種重要的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要性。它在高通量分析、個(gè)性化醫(yī)療、細(xì)胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今天就將為大家分享一篇微流控領(lǐng)域研究成果，一起接著往下看吧~

　　惡性腫瘤是全球人類第二大死亡原因。近期，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，由它引起的死亡甚至經(jīng)已超過(guò)心血管疾病，使之成為發(fā)達(dá)國(guó)家的第一大死亡原因。實(shí)體瘤會(huì)在其周邊形成一個(gè)抑制環(huán)境，如營(yíng)養(yǎng)耗竭，廢物積累，缺氧，pH值酸化等。這種環(huán)境會(huì)對(duì)人體的免疫系統(tǒng)造成極大的負(fù)擔(dān)，從而嚴(yán)重?fù)p害效應(yīng)免疫細(xì)胞，如T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞(NK)破壞腫瘤細(xì)胞的能力。

　　在過(guò)去的幾年里，免疫學(xué)方面的多項(xiàng)突破，如嵌合抗原受體(CAR)T/自然殺傷細(xì)胞(NK)和免疫檢查點(diǎn)抑制劑(ICIs)，在血液惡性腫瘤(如急性髓細(xì)胞白血病和急性淋巴細(xì)胞白血病)的治療中取得了巨大的成功(2)。因此，科學(xué)家和臨床醫(yī)生正在努力將免疫療法推廣到實(shí)體瘤的治療上。然而，驅(qū)動(dòng)免疫抑制的具體分子機(jī)制，以及免疫細(xì)胞適應(yīng)抑制環(huán)境的能力，尚不完全清楚，并且傳統(tǒng)的二維(2D)模型并不能很好的模擬三維實(shí)體瘤所形成的復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境(TME)。

近期， University of Wisconsin的Jose M. Ayuso 與David J. Beebe聯(lián)合 Morgridge Institute for Research的Melissa C. Skala在Science Advances （IF=14.136)上發(fā)表題為Microfluidic tumor-on-a-chip model to evaluate the role of tumor environmental stress on NK cell exhaustion的文章。他們使用體外微流控芯片腫瘤平臺(tái)（圖1），實(shí)現(xiàn)了對(duì)乳腺癌實(shí)體瘤微環(huán)境中四個(gè)要素：營(yíng)養(yǎng)、pH值、增殖和壞死的梯度模擬。通過(guò)對(duì)腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞的觀測(cè)，評(píng)估了NK細(xì)胞如何對(duì)腫瘤誘導(dǎo)的抑制環(huán)境做出反應(yīng)。

　　首先，他們構(gòu)建了一個(gè)腫瘤微流控模型。該模型有一個(gè)中央微室，微室一側(cè)有一根PDMS小棒，其余部分則填入混合了乳腺癌細(xì)胞(即MCF7)的膠原水凝膠。小棒在水凝膠固化后被移除，形成管狀空腔。再在空腔內(nèi)壁鋪上一層內(nèi)皮細(xì)胞（人臍帶內(nèi)皮細(xì)胞HUVECs），并注入培養(yǎng)基，就形成了一個(gè)可向周邊輸送營(yíng)養(yǎng)的類血管結(jié)構(gòu)（圖1B）。通過(guò)比較可以觀察到，距離類血管結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)的乳腺癌細(xì)胞的活性和增值速率會(huì)逐步降低。

　　圖1腫瘤芯片

　　接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)在膠原水凝膠中同時(shí)均勻混入乳腺癌細(xì)胞（MCF7)和自然殺傷細(xì)胞（NK-92）來(lái)評(píng)估NK-92細(xì)胞在響應(yīng)腫瘤芯片產(chǎn)生的環(huán)境時(shí)的分子變化。經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄定量聚合酶鏈反應(yīng)(RT-qPCR)實(shí)驗(yàn)和非分級(jí)聚類圖分析顯示，NK-92與免疫衰竭相關(guān)的多個(gè)基因，以及與營(yíng)養(yǎng)饑餓、缺氧和血管生成相關(guān)的基因在培養(yǎng)一周后，表達(dá)量都出現(xiàn)顯著上調(diào)。這說(shuō)NK-92在該環(huán)境下逐漸衰竭，并激活了一些適應(yīng)性反應(yīng)。而與NK細(xì)胞存活、增殖和激活相關(guān)的多個(gè)基因則顯著下調(diào)，突出了腫瘤芯片微設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的環(huán)境的免疫抑制作用(圖2C)。通過(guò)從芯片不同部位取NKcell進(jìn)行比較，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的NK-92細(xì)胞的基因表達(dá)也大不相同。同近端區(qū)域相比，遠(yuǎn)端區(qū)域的NK細(xì)胞增殖能力較弱，對(duì)趨化因子的反應(yīng)較弱，但它們的促炎反應(yīng)基因的表達(dá)程度卻出現(xiàn)上調(diào)。

　　那么NK細(xì)胞衰竭的現(xiàn)象到底是由微裝置中產(chǎn)生的環(huán)境應(yīng)激引起的，還是僅僅是由于腫瘤細(xì)胞長(zhǎng)達(dá)7天的慢性激活引起的呢？

　　圖2腫瘤芯片混入NK細(xì)胞培養(yǎng)引發(fā)NK細(xì)胞衰竭

　　為了回答這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)在養(yǎng)分充足的孔板里，重新培養(yǎng)混入了MCF-7的NK-92細(xì)胞并培養(yǎng)相同的時(shí)間。經(jīng)過(guò)同樣的基因表達(dá)檢測(cè)流程，他們發(fā)現(xiàn)此時(shí)NK-92的基因表達(dá)與培養(yǎng)在腫瘤芯片中的大相徑庭。于是可以得出結(jié)論，NK細(xì)胞衰竭的主要因素是環(huán)境壓力，而不是腫瘤細(xì)胞對(duì)NK的慢性激活。而這種區(qū)別，同時(shí)也體現(xiàn)了芯片腫瘤模型相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)模型的優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了模擬實(shí)體瘤微環(huán)境與否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性存在巨大的影響

　　圖3比較在微環(huán)境呈梯度變化的腫瘤芯片與營(yíng)養(yǎng)供給充足的傳統(tǒng)三維培養(yǎng)環(huán)境中，NK細(xì)胞的耗竭狀況。

　　基因表達(dá)分析表明，腫瘤芯片模型較傳統(tǒng)孔板而言能觀察到更明顯的免疫耗竭，其中耗竭標(biāo)記物PD-1和IDO-1的表達(dá)出現(xiàn)了大幅的上調(diào)。因此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始從應(yīng)用角度評(píng)估該芯片，使用它來(lái)測(cè)試針對(duì)免疫衰竭的免疫療法的潛力。他們?cè)谛酒屑尤胍种坪慕邩?biāo)記物表達(dá)的藥物，再對(duì)腫瘤細(xì)胞的成活率進(jìn)行檢測(cè)，以表征NK細(xì)胞的免疫活性（圖4）。最終，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明免疫調(diào)節(jié)因子如檢查點(diǎn)（ICIs）和代謝（IDO-1）抑制劑在一定程度上減輕了免疫衰竭。然而，完全根除位于腫瘤最內(nèi)層的腫瘤細(xì)胞可能需要針對(duì)腫瘤微環(huán)境效應(yīng)的新方法。

　　圖4ICIs和IDO-1抑制劑在傳統(tǒng)檢測(cè)和腫瘤芯片上的作用

　　逆轉(zhuǎn)或防止免疫衰竭的新療法有很大的潛力，但人們對(duì)驅(qū)動(dòng)這一過(guò)程的機(jī)制仍知之甚少。因此，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)始研究將這些出現(xiàn)耗竭現(xiàn)象的免疫細(xì)胞從受抑制的環(huán)境中移出，看它們是否還能恢復(fù)到原來(lái)的表型。于是在芯片中培養(yǎng)一周后，混有MCF-7和NK-92的膠原水晶膠被取出芯片腔室。NK-92細(xì)胞被分離出來(lái)后再轉(zhuǎn)移至環(huán)境壓力小的培養(yǎng)瓶里再養(yǎng)一周。觀察發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)在腫瘤芯片培養(yǎng)細(xì)胞中逐漸上調(diào)的與免疫衰竭和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的基因(如IDO-1、CCl28、VEGF和MICA)，在傳統(tǒng)燒瓶中培養(yǎng)1周后恢復(fù)到原來(lái)的值(圖5C)。這說(shuō)明NK細(xì)胞在與腫瘤細(xì)胞共培養(yǎng)后可能還保留了一些原始細(xì)胞狀態(tài)的記憶。

　　圖5在腫瘤芯片平臺(tái)上培養(yǎng)過(guò)后，NK細(xì)胞的恢復(fù)

　　分析RT-qPCR的數(shù)據(jù)表明暴露的NK細(xì)胞與未暴露的NK細(xì)胞具有不同的分子表型。因此，該團(tuán)隊(duì)還評(píng)估了暴露NK細(xì)胞中這些分子改變所帶來(lái)的功能層面的后果（圖6）。最終，實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)調(diào)了芯片上腫瘤產(chǎn)生的環(huán)境壓力會(huì)顯著影響NK細(xì)胞的分子表型和功能。

　　圖6暴露前后NK細(xì)胞的功能變化

　　隨著科技的不斷進(jìn)步，腫瘤芯片技術(shù)可能會(huì)加速各種新型的免疫療法的發(fā)展，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)多功能的工具，成為連接體外平臺(tái)和動(dòng)物模型之間的橋梁。

　　ATA-2048高壓放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~1MHz

　　電壓：400Vp-p（±200Vp）

　　電流：80mAp

　　功率：16Wp

　　10mV/V電壓監(jiān)測(cè)

　　可程控

　　

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