微流控+类器官，一篇《Advanced Science》！

2024-03-08

免疫疗法

点击图片查看OTC2023类器官前沿应用与3D培养论坛会后报告，OTC2024论坛征集投稿做报告，详询：王晨 180 1628 8769文章来源： EngineeringForLife患者来源的癌症类器官（PDOs）在个性化治疗选择和改善患者预后方面具有相当大的前景。然而，生成足够数量的PDOs在标准培养平台上测试治疗方法是一项挑战。这一挑战对于胰腺导管腺癌（PDAC）尤其严重，因为大多数患者被诊断为晚期不可切除肿瘤，并且患者的组织以针头活检的形式存在。为此，美国梅奥医学中心Alexander Revzin及其团队研究了微流控装置的开发和特性，用于测试使用有限数量的组织或PDOs的治疗。结果表明，微流控PDOs在表型和基因型上与金标准基质胶类器官相似，且具以下优点，包括1）形状均匀；2）最小细胞数要求；3）不依赖基质胶。通过测试PDO对几种化疗的反应证明了微流控PDOs的实用性，包括糖原合酶激酶（GSKI）抑制剂。此外，微流控类器官培养物被用于测试由NK细胞结合一种新型生物制剂组成的免疫治疗的有效性。总之，本研究的微流控装置为癌症活检的个性化肿瘤学提供相当大的好处，并可能在未来发展成为化疗或免疫治疗的辅助诊断。相关研究内容以“Microfluidic Organoid Cultures Derived from Pancreatic Cancer Biopsies for Personalized Testing of Chemotherapy and Immunotherapy”为题于2023年11月29日发表在《Advanced Science》上。图1 本研究概念示意图本研究采用微流控培养概念，描述来自患者活检的PDAC类器官的微流控培养。研究设备包含微孔阵列（直径250μm），这些微孔被低结合，以促进细胞聚集成球状体（图1）。图2 以单细胞消化作为起始材料，在微流控装置中形成PDAC类器官图2A显示了该研究的工作流程——PDAC活检分离，在基质胶上扩展类器官，然后收集并播种到微流控装置中。在播种后2天形成球体，培养7天后球体的直径增加（图2B）。与基质胶培养物相比，微流控装置中的球状体分布更均匀（图2C）。为了将微流控类器官与金标准基质胶培养物作为基准，对两种培养物进行免疫荧光染色，结果显示出两种培养物之间的相似性（图2D、E）。用于与微流控培养物进行比较的定制微孔阵列如图2F所示。比较类器官大小随时间的变化发现，微流控装置和微孔阵列的增殖动力学相似（图2G）。与微流控类器官培养相比，微孔阵列培养中的PDAC类器官的增殖能力明显较低，且PDAC特异性标记物CK19和Pdx1的表达水平也较低（图2H）。图3 基质胶和微流控类器官培养物的转录组学比较在主成分分析和比较样本与样本之间的距离时，该装置和基质胶类器官比从原发肿瘤、PDX和转移瘤中产生的其他PDAC PDO样本更相似（图3A、B）。在基质胶和装置类器官培养物中富集的差异表达基因火山图如图3E所示。通过对生物过程进行基因本体论分析（图3F）和对所策划的基因集进行基因集富集分析（图3G），发现基质胶类器官培养物对与缺氧相关的途径进行富集，表明与微流控类器官培养物相比氧合不足。图4 在微流控装置中培养完整的类器官新型装置有一个由常闭阀门保护的侧注射端口（图4A）。比较来自三个不同患者的类器官，分别为PDO-001、PDO-002和PDO-003，在微流控装置和基质胶培养的图像乳图4B所示。微流控类器官培养表现出基质胶中观察到的特征，PDO-001和PDO-002表现出腔/导管结构（图4C、D），PDO-003形成紧凑的球状体（图4E）。3例患者的微流体类器官培养物均对上皮标记物E-钙粘蛋白、PDAC标记物CK19和增殖标记物Ki67的染色强阳性（图4F-H）。以上结果证明来自三种不同PDAC活检的完整类器官可以在新型微流控装置中培养，该装置具有增殖标记和上皮/癌症表型表达，与金标准基质胶类器官培养物相似。图5 在微流控培养中测试针对MEK和RAF信号通路的化疗将PDAC类器官对分子靶向治疗的反应与GEM进行比较，GEM是一种抑制DNA合成并导致癌细胞凋亡的一线化疗药物（化学结构见图5A）。在微流控装置中单细胞2天形成球状体，之后给药7天（流程见图5A）。药物治疗前（第0天）和药物治疗后（第7天）微流控类器官培养物的亮场和活/死染色图像如图5B所示。2.5 μM En与2.5 μM Bi对肿瘤消退的效果与单独使用5 μM Bi相似，但对较高浓度的效果有差异（图5B-D）。相比于En，Bi是一种更有效的治疗方法，这些类器官对GEM的敏感性更高（图5E）。图6 使用三种患者特异性微流控类器官培养物的GSKI和GEM检测联合治疗联合化疗的时间线如图6A所示。观察到联合治疗的患者特异性差异（图6B-G）。在暴露于药物的PDO- 001类器官中观察到有限的细胞毒性（图6B、C），而PDO-002和PDO-003在所有浓度范围内都显示出对联合治疗的反应都增强（图6D-G）。图7 使用微流控类器官培养物测试NK细胞的免疫治疗实验时间线如图7A所示，抗B7-H3 TriKE增强NK细胞对肿瘤细胞杀伤的机制如图7B所示。对于3种PDOs，癌症类器官的单培养在微流控装置内持续生长（图7C，72 h）。为定量评估类器官生长，每24小时追踪单个类器官直径，将24、48和72小时的直径归一化到0小时的初始大小，并绘制所有PDAC样本每种条件下的平均类器官直径（图7D）。所有癌症类器官24小时大小减小60%。研究结果表明，抗B7-H3 TriKE提高了NK细胞对癌症类器官的溶细胞活性，也强调了微流控癌症类器官培养的效用。综上所述，本研究中开发并表征了新型的PDAC类器官微流控培养物，证明了微流控装置在类器官增殖和癌症表型表达以及免疫细胞的激活和浸润方面优于微孔阵列格式。RNA测序分析显示，微流控类器官培养物与金标准基质胶培养物相似，在微流控形式下具有更好的氧合和启动趋化因子信号和免疫细胞浸润。总之，本研究描述了一种新的微流控类器官培养平台，用于检测患者的特异性反应。该平台有助于以类似于金标准基质胶培养的方式维持癌症类器官，能够通过针活检获得的少量类器官进行药物检测，非常适合测试免疫治疗。在未来，该微流控平台可能与生物传感能力集成，用于定量评估单个类器官，并可能发展成为个性化癌症治疗的辅助诊断。文章来源：https://doi.org/10.1002/advs.202303088点击图片查看OTC2023类器官前沿应用与3D培养论坛会后报告，OTC2024论坛征集投稿做报告，详询：王晨 180 1628 8769