胃癌（gastric cancer， GC）继续构成重大的全球健康挑战，2020年新发病例超过1,000,000例，死亡病例约为769,000例。常用的胃癌治疗，包括有化疗和靶向治疗，如雷莫芦单靶向血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)，但这种治疗方法明显缺乏可靠的生物标志物。因此，迫切需要生物标志物和临床前模型，以更深入地了解胃癌抗血管生成疗法的效果
为了解决上述问题，来自韩国嘉泉大学的Jihoon Ko（第一作者）、成均馆大学的Jeetyun Lee（第一通讯作者）、首尔大学的Noo Li Jeon（第二通讯作者）等多团队使用从临床样本中获得的患者来源的肿瘤微球（PDTS），包括来自胃癌（GC）患者的腹水和原发性肿瘤标本，联合开发了一种创新的血管化肿瘤球芯片模型。该模型能够检查每个患者特有的独特血管生成模式，从而促进个性化药物测试方法的开发。这一方法可在基于微流控的 3D 细胞培养系统中进行高通量测试。该平台可以密切监测血管和PDTS的微观变化，从而进行精确的定量评估和快速评估联合药物治疗效果。
相关论文“Patient-derived tumor spheroid-induced angiogenesis preclinical platform for exploring therapeutic vulnerabilities in cancer” 于2024年2月12日在线发表期刊《Biomaterials》上。
研究人员设计了一种高通量微流控细胞培养系统，并使用3D打印技术对其进行了优化，以实现通过注塑成型在大规模实验中的可扩展性。该系统采用导轨结构，其中心孔设计用于容纳 PDTS，这使得水凝胶能够形成坚固的 3D 支。EC附着在与该支架相邻的内皮化通道的两侧。此外，介质储液器位于导轨的两侧有助于将介质扩散到水凝胶支架中（图1A）。ECs有效地粘附在水凝胶支架上，启动内皮向PDTS的迁移并随后发芽。同时，还观察到PDTS细胞的侵袭（图1B）。储层内的介质液位差异产生静水压力，诱导支架内的流体流动。这种动态条件增强了 EC 的环境，放大了 PDTS 中存在的血管内皮生长因子（VEGF）等因素的有效性（图1C）。随着时间的流逝，嵌入水凝胶中的肿瘤球状体会生长并变得越来越具有侵入性。同时，内皮细胞表现出血管生成萌芽（图1D）。在长期培养中，可以观察到血管向水凝胶支架内的肿瘤球状体延伸（图1E）。
通过手术或内窥镜检查期间收集的原发肿瘤以及从腹膜转移患者身上获得的腹水，提取目标肿瘤细胞，使其自聚集至500-600μm形成肿瘤球。随后，这些PDTS被掺入纤维蛋白水凝胶中，EC形成水凝胶支架以促进内皮化，具体流程如图2A所示。随后，植入腹水衍生的PDT促进了ECs在水凝胶中的迁移和萌芽，研究人员进一步对血管生成的 3D 分析揭示了结构化管腔形成（图2B）。研究人员注意到PDTS植入条件下其平台中央和外围区域血管网络密度和血管生成萌发长度均存在显着差异同时，检查了 EpCAM 和 CD31 的表达比率，以确认中央区域血管生成增加是由于植入中央的 PDTS 的存在造成的。与外围相比，发现中心区域的该比率显着更高（图2C）。
为了证明基于 PDTS 的 TME 与相应患者肿瘤标本之间的一致性，研究人员使用多重免疫组化比较了 PDTS 与患者肿瘤标本中的肿瘤脉管系统。图3A表明与血管浓度低的肿瘤组织相比，高度血管化的肿瘤组织中CD31表达显著升高。在检查的1801个基因中，研究人员鉴定了差异表达的基因（图3B和C）。在热图中直观地表示表现出两倍以上变化且 p 值低于 0.01 的基因，突出了高血管和低血管的临床样本中的独特表达 模式。此外，基因集分析揭示了高度血管化肿瘤组织中差异表达的基因与肿瘤脉管系统之间的强关联（图3 D）。促进促血管生成的基因在高血管和高CD31血管的GC组织中显著富集。值得注意的是，芯片上捕获的血管与患者肿瘤标本上的肿瘤血管之间存在高度相关性（图 3 E）。为了进一步证明两者具有高度相关性的结果，研究人员比较了肿瘤标本和PDTS植入支架中关键血管生成相关蛋白的表达模式。最终，结果（图3G）表明新鲜样本和PDTS植入的支架之间没有检测到显着差异，这突显了这一平台能够保留将新鲜患者来源的样本植入平台的分子特性。
VEGFR-2 是负责向新血管生长发出信号的蛋白质，这些新血管为肿瘤提供氧气和营养，促进其生长（图4A）。雷莫西尤单抗是一种血管生成抑制剂，以单克隆抗体的形式用作靶向治疗药物，旨在与VEGFR-2结合。尽管雷莫西尤单抗已获批用于治疗转移性GC，但其疗效有限，只有不到25%的GC患者获益。
研究人员通过将雷莫西尤单抗引入水凝胶支架来评估抗癌疗效。当检查雷莫西尤单抗处理的血管时，观察到尖端细胞形成的变化，其中不存在具有扩展丝状伪足的萌芽尖端细胞（图 4 B）。雷莫西尤单抗的剂量依赖性作用是显而易见的：观察到血管在1μM处显着阻塞，并且肿瘤侵袭性也降低（图4C）。此外，促进集体细胞迁移和肿瘤上皮波形蛋白的 N-钙粘蛋白的表达显示出浓度依赖性降低，在 1 μM 时间点蛋白质表达显着降低（图 4D）。通过对投影的3D共聚焦荧光图像进行形态学分析，证实了这些发现，其中EpCAM肿瘤表面标志物表达面积、血管密度、发芽血管数量和发芽血管长度在1μM处表现出显着变化（图4E和F）。作为随后的验证，研究人员收集暴露于该有效浓度的水凝胶支架，并对其进行细胞和非细胞蛋白的分析（图4 G）。在非细胞成分中，纤连蛋白和胶原IV在PDTS植入条件下过表达，通过雷莫西尤单抗治疗减轻了这种情况（图4H）。
研究人员使用 PDTS 介导的 GC-MPS 平台靶向 HER2 的疗法效果。研究人员通过免疫组化和蛋白质印迹法验证了所得PDTS中靶蛋白的过表达，强调了我们低传代系统的保真度（图5A和B）。一旦亲本血管从内皮化通道形成药物治疗就被施用于PDTS植入的支架，大约在细胞接种后24小时（图5C）。随后，该实验系统评估了单药治疗（雷莫西尤单抗和沙皮替尼，一种HER2 抑制剂）以及联合治疗（雷莫西尤单抗++沙皮替尼）的抗癌效果。观察到雷莫西尤单抗治疗后血管密度和血管生成发芽长显著降低。雷莫西尤单抗单独或联合给药的抗血管生成作用无显著差异。然而，与单药治疗相比，联合治疗组的PDTS区域变化显著减（图5D和E）。综上所述，PDTS芯片证明肿瘤诱导的血管生成可以被有效地量化，同时捕获肿瘤死亡。
本研究提出了一个基于微流控的高效3D细胞培养平台，该平台涵盖了从PTDS建立到执行个性化药物测试的整个过程，包括针对HER2过表达患者的靶向药物联合治疗。PDTS 植入的支架采用开放式微流体设计创建，具有基于轨道的中央通道和内皮化通道。GC-MPS 通过整合PDTS 和微生理脉管系统模型实现了患者特异性 TME 的重建。值得注意的是，它通过在微生理血管和原始肿瘤标本中的微生理血管之间建立强相关性，提供了新的见解。这种创新的测试平台解决了与传统临床前动物模型中测量血管密度相关的局限性，并提供了一种针对精准医疗的高通量药物筛选方法。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122504
