3D腫瘤模型是一種極具潛力的抗腫瘤藥物評估平臺，不僅能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有2D模型的不足，也能模擬體內(nèi)復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境。

鑒于此，韓國科學(xué)技術(shù)研究院的Kim團(tuán)隊開發(fā)了一種用于評估藥物體外遞送效果的肺-腫瘤-血管芯片模型，并探究了影響腫瘤血管形成的關(guān)鍵因素。相關(guān)研究成果以“Vascularized Lung Cancer Model for Evaluating the Promoted Transport of Anticancer Drugs and Immune Cells in an Engineered Tumor Microenvironment”為題，發(fā)表在Advanced healthcare materials上。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，研究人員選用水凝膠設(shè)計了三個平行通道，右側(cè)通道用于肺成纖維細(xì)胞（HLF）和腫瘤球（A549）的共培養(yǎng)，其他通道負(fù)責(zé)氧氣的供給以及血管內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）的培養(yǎng)。研究人員利用HUVECs和HLF形成血管并通過改變周圍儲液槽中的體積差來控制間質(zhì)流動的方向，待血管形成后引入腫瘤球。

圖1 肺-腫瘤-血管芯片示意圖

隨后，研究人員分別探究了間質(zhì)流動和HLF對于腫瘤血管形成的影響，結(jié)果顯示當(dāng)只存在間質(zhì)流動時，才會萌發(fā)新生毛細(xì)血管，且血管形成方向與間質(zhì)流動方向相反；當(dāng)只存在HLF時，毛細(xì)血管的萌發(fā)成連續(xù)狀態(tài)；當(dāng)間質(zhì)流動和HLF均存在時才會形成完整的毛細(xì)血管網(wǎng)。

圖2 腫瘤血管生成的決定性因素

接著，研究人員進(jìn)一步考察了間質(zhì)流動、HLF和腫瘤球三個因素的組合對于腫瘤血管生成的影響。當(dāng)HLF和間質(zhì)流動同時存在時，血管覆蓋面積顯著增加，腫瘤球的存在對于血管面積的變化并沒有顯著影響，血管發(fā)芽時間的長短和主干血管的直徑也顯示出相似的規(guī)律。意外的是，研究人員發(fā)現(xiàn)腫瘤球的加入會延緩腫瘤血管的生成，這可能與A549本身的性質(zhì)有關(guān)。

圖3 間質(zhì)流動、HLF和腫瘤球?qū)δ[瘤血管形成的影響

為了驗證芯片中培養(yǎng)的血管三維結(jié)構(gòu)和可視化血管標(biāo)志物（VE-鈣粘蛋白）的表達(dá)，研究人員使用Z-STACK影像堆疊拍照系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)來自于主干血管的VE-鈣粘蛋白在毛細(xì)血管中有顯著的表達(dá)。將異硫氰酸熒光素（FITC）-葡聚糖溶液通過主干血管注入后，發(fā)現(xiàn)在毛細(xì)血管中可以觀察到FITC-葡聚糖。這證實了腫瘤血管周圍復(fù)雜微環(huán)境的形成，說明該模型可用于藥物的評價。

圖4 3D腫瘤血管模型的免疫熒光圖像

接著，研究人員評估了肺-腫瘤-血管芯片模型在藥物遞送、免疫細(xì)胞輸送以及毛細(xì)血管栓塞方面的應(yīng)用。給予主干血管鹽酸阿霉素（DOX）處理后，與非血管化的腫瘤芯片相比，該模型的腫瘤尺寸和腫瘤生長速率更小，且DOX的細(xì)胞攝取更多。該結(jié)果表明萌發(fā)的毛細(xì)血管可以更有效的將抗癌藥物遞送到腫瘤部位。

圖5 肺-腫瘤-血管芯片模型對于DOX的治療效果評價

研究人員選用急性單核細(xì)胞白血病細(xì)胞系（THP-1）測試了該模型在評估癌癥免疫治療方面的應(yīng)用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在非血管化的腫瘤芯片中，THP-1僅存在于主干血管；而在肺-腫瘤-血管芯片中，THP-1能夠通過毛細(xì)血管到達(dá)腫瘤附近。該結(jié)果表明此芯片模型可用于評估癌癥免疫治療。

圖6 肺-腫瘤-血管芯片中THP-1遞送效果的評估

最后，研究人員利用肺-腫瘤-血管芯片平臺測試了栓塞策略能否用于靶向腫瘤毛細(xì)血管。首先研究人員使用了DOX共軛液態(tài)金屬（EGaIn）粒子，并通過重力驅(qū)動由主干血管引入。結(jié)果發(fā)現(xiàn)DOX-EGaln可以輸送到毛細(xì)血管中，并且即使在流動狀態(tài)下，DOX-EGaln仍然可以留在毛細(xì)血管內(nèi)。這表明腫瘤毛細(xì)血管栓塞的形成。但即使在栓塞后，腫瘤周圍也具有足夠多的營養(yǎng)物質(zhì)，所以無法表征栓塞策略的抗腫瘤效果。

圖7 DOX-EGaln對腫瘤毛細(xì)血管的栓塞作用

綜上所述，研究人員利用肺-腫瘤-血管芯片模型探究了腫瘤血管生成的影響因素，并對該模型在藥物體外遞送、免疫細(xì)胞輸送以及毛細(xì)血管栓塞方面的應(yīng)用進(jìn)行了評估，證明了該肺-腫瘤-血管芯片模型用于抗癌藥物的篩選和癌癥免疫治療評估方面的潛力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adhm.202102581

審核編輯 ：李倩