近日,清華大學醫學院劉鵬課題組聯合北大人民醫院王俊院士團隊、北京航空航太大學陳曉芳課題組結合微流控晶片與腫瘤類器官科技,開展了跨領域、面向臨床的聯合攻關,開發出全新的集成超疏水微孔陣列晶片(InSMAR-chip),可在一周內獲得腫瘤類器官藥敏預測結果,極具臨床轉化前景。
精准治療時代,腫瘤體外藥敏預測是個體化治療的重要研究方向。近年來腫瘤類器官科技取得重要進展,在多個癌種中均開發出預測患者對於藥物抗癌療效的體外模型。但在肺癌領域,腫瘤類器官模型的構建和應用受限於效率和時耗等問題,較其他癌種更為困難。
本研究中,作者將微流控晶片與腫瘤類器官這兩項前沿技術結合,顯著提高了對腫瘤患者抗癌藥物臨床療效預測的效率和時效。首先,作者改進了腫瘤樣本的處理方法,採用機械處理方法從103例手術切除和活檢的新鮮腫瘤組織中培養出大量肺癌類器官(lung cancer organoids,LCOs),證實LCOs保留了親代腫瘤的組織學與遺傳學特徵,並具有無限傳代擴增的潜力,最終類器官培養成功率為79%。
圖1從患者腫瘤中建立LCOs,用於隨後長期培養以及為期一周的InSMAR-chip上藥物敏感性試驗流程圖
作者所建立培養的LCOs保留了原始腫瘤組織的組織學和遺傳學特徵,並且能在長期體外培養和傳代後保持穩定,下圖結果表明第0代的LCOs具有腫瘤類器官的主要特徵。
圖2肺癌組織和衍生的腫瘤類器官的H&E和免疫組化染色對比圖
圖3肺癌組織、LCOs對全基因組拷貝數變異(CNV)的熱圖。肺癌組織中DNA拷貝數新增(紅色)和减少(藍色)在相應的腫瘤類器官中保存,且所有LCOs均可見訊號放大。
研究中,作者將開發的InSMAR-chip用於LCOs的高通量三維培養和分析。該晶片具有通量高、體積小、節約樣本和試劑並可進行實时追跡和定址的特徵,其表面由於注入了超疏水塗層,使得微孔之間具有物理隔絕,保證了每個微孔獨立的液體環境,便於加樣和換液的操作,此外,晶片微孔間距與1536孔板保持一致,更適配商用的成像及檢測儀器。
圖4在微孔中具有液滴陣列的InSMAR-chip晶片圖(左);晶片上一周藥物敏感性試驗的流程圖(右)
由於晶片上的微孔體積為納昇量級,大幅降低樣本消耗量和培養時耗,僅在一周時間內完成藥物反應的測試,並獲得藥敏結果。作者基於LCOs進行了為期一周的藥物敏感性測試並對肺癌靶向藥物的療效預測,可獲得早於NGS檢測的療效預測結果,並與基因突變結果一致。另外,為期一周的藥物敏感性試驗還代表了腫瘤對化療的反應異質性。
圖5.EGFR突變型LC132O和EGFR野生型LC133-O擬合的劑量-反應曲線提示兩例腫瘤對靶向藥物敏感性的差异,與臨床結果非常一致(左);肺癌類器官對順鉑化療的異質性反應(右)
綜上所述,研究團隊建立了一套有效的肺癌樣本處理和分析方法,成功將藥敏試驗縮短至一周,相比基於PDO的藥敏試驗長達數周甚至數月的檢測時長,新方法的時效性優勢突出,檢測時長符合臨床實踐的要求。使用InSMAR-chip進行LCOs藥物敏感性檢測的結果,通過與PDX模型、基因突變和臨床實際療效的對比,均證實能够預測體內腫瘤對抗癌藥物的反應,並具備藥物篩選的潜力。相信這項晶片與類器官結合的前沿技術會為腫瘤類器官預測藥物臨床反應帶來新的突破,研究團隊將繼續協同努力,期待將這項科技在未來發展出更多的應用場景,並轉化於臨床,打通精准醫療的最後一公里。
該研究成果以“利用超疏水微陣列晶片對患者來源類器官進行分析實現在一周時間內快速預測肺癌患者對藥物反應”(Patient-derived organoids analyzed on a superhydrophobic microwell array for predicting drug response of lung cancer patients within a week)為題,於5月10日線上發表於學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。清華大學醫學院劉鵬副教授、北京大學人民醫院胸外科王俊院士、北京航空航太大學陳曉芳副教授為該論文通訊作者,清華大學醫學院博士胡亞偉、北京大學人民醫院胸外科副主任醫師隋錫朝為本文共同第一作者。本項目的研究受到了國家自然科學基金委員會等多個項目的支持。
論文連結:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22676-1.
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