非小細胞肺癌（NSCLC）腦轉(zhuǎn)移患者具有存活率低和發(fā)病率高的特點。雖然腫瘤腦轉(zhuǎn)移（BM）的診斷技術和治療策略不斷進步，但由于大腦本身具有不同于其他器官的獨特特征，使得BM-NSCLC細胞與腦腫瘤微環(huán)境（BTME）之間的微妙聯(lián)系仍有待研究。星形膠質(zhì)細胞和腦特異性內(nèi)皮細胞（BECS）是BTME的兩個主要組成部分，BM-NSCLC與兩種類型的BTME細胞相互作用，會影響B(tài)M-NSCLC的惡性轉(zhuǎn)移，以及耐藥性的增加。

鑒于此，為更好的了解BM-NSCLC與BTME之間微妙的關系，韓國國家癌癥中心的Lee團隊基于星形膠質(zhì)細胞、BECS和患者來源的BM-NSCLC細胞構(gòu)建了一種3D微流控裝置，該裝置為闡明潛在抗癌藥物的分子靶點和針對轉(zhuǎn)移的癌細胞與BTME之間的相互影響提供了一種工具。相關研究成果以“Recapitulated Crosstalk between Cerebral Metastatic Lung Cancer Cells and Brain Perivascular Tumor Microenvironment in a Microfluidic Co-Culture Chip”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

為了模擬BM-NSCLC與BTME之間的微妙的作用關系，研究人員選用患者來源的腫瘤細胞（BM-ADC，BM-Sqcc）、星形膠質(zhì)細胞和BECS設計了一種微流控裝置，以達到共培養(yǎng)三種細胞的目的。該裝置具有四個單元，每個單元具有四個培養(yǎng)基通道（通道#1和#3）和三個水凝膠通道（通道#2和#4）。其中BM-ADC或BM-SqCC引入通道#4，星形膠質(zhì)細胞引入通道#2，BECS培養(yǎng)在通道#1中。在單獨培養(yǎng)BM-NSCLC細胞（BTME-）或與星形膠質(zhì)細胞和BECS（BTME+）共培養(yǎng)的條件下，保持BM-NSCLC細胞的干性，并通過CD44與CD133證實。共培養(yǎng)7天后，發(fā)現(xiàn)BM-NSCLC細胞活力增強。

圖1 非小細胞肺癌細胞的腦轉(zhuǎn)移生態(tài)位示意圖及微流控裝置

研究人員為更好分析三種細胞之間的相互影響，開發(fā)了一種獨特的細胞和培養(yǎng)基收集方法，可以選擇性地收集各種細胞與培養(yǎng)基。首先收集通道#3的培養(yǎng)基進行細胞因子分析，然后收集通道#1的BECS細胞，接著再分別收集通道#4中的BM-NSCLC細胞和通道#2中的星形膠質(zhì)細胞。為了只獲取通道#4中的BM-NSCLC細胞，首先將膠原酶注射到通道#3中，并控制膠原酶的流動方向，使其僅能將通道#4中水凝膠分解，最后收集通道#2中的星形膠質(zhì)細胞，該方法的成功率約為80%。

圖2 微流控裝置中分離提取培養(yǎng)基和細胞的步驟

通過對培養(yǎng)基中三種與患者組的生存率降低有關的細胞因子分析發(fā)現(xiàn)，在BTME+狀態(tài)下，三種細胞因子，即絲蛋白E1（Serpin E1）、白介素8（IL-8）和分泌型磷蛋白1（SPP-1）均增加，Luminex分析證實了這一點。且由于BM-NSCLC細胞的消耗，所有BTME-病例的SPP-1濃度均低于正常對照（神經(jīng)基礎培養(yǎng)液培養(yǎng)）。對Serpin E1的分子擴散進行模擬，發(fā)現(xiàn)其從BTME擴散到了BM-NSCLC細胞（通道#4），并且BTME細胞分泌的IL-8也在12h內(nèi)擴散到了BM-NSCLC細胞（通道#4）。與Transwell模型對比發(fā)現(xiàn)，微流控裝置中細胞因子的濃度是Transwell模型中的10倍。

圖3 微流控裝置中細胞因子水平

研究人員分別對有無BTME的BM-NSCLC細胞、有無BM-NSCLC細胞的BECS細胞和有無BM-NSCLC細胞的星形膠質(zhì)細胞進行基因分析。發(fā)現(xiàn)BTME+BM-NSNLC細胞上調(diào)與免疫反應相關的基本分子、激活腫瘤壞死因子信號通路（TNF）和NF-kB轉(zhuǎn)錄因子活性等，進一步證實了之前的研究結(jié)論，即BTME促進BM。

圖4 TME中腫瘤細胞轉(zhuǎn)錄圖譜

研究人員接下來測試了FDA批準的6種臨床藥物（包括Afatinib、PKI587、Palbociclib、Ceritinib、Dasatinib和Trametinib）治療BTME-和BTME+BM-NSCLC細胞的效果。根據(jù)Cancer SCAN基于5095個臨床樣本預測了6種藥物的使用效果。將預測結(jié)果與微流控裝置和Transwell中有無BTME的BM-NSCLC細胞的藥物篩選結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)BTME-BM-ADC細胞對Afatinib和PKI587敏感，對Ceritinib、Dasatinib和Trametinib耐藥，與預測相反的是對Palbociclib耐藥，并且BTME+BM-ADC細胞對Afatinib和PKI587也耐藥。根據(jù)Cancer SCAN預測結(jié)果顯示BM-SqCC的遺傳性狀可能是野生的，且對于BM-SqCC細胞，BTME對細胞存活率有明顯的增強作用。然而在Transwell中，培養(yǎng)的BM-NSCLC細胞在篩查結(jié)果和預測結(jié)果之間也顯示出良好的相關性，在Transwell中與BTME共培養(yǎng)時沒有觀察到顯著的藥物反應變化。

圖5 基于微流控裝置進行藥物篩選

總之，研究人員基于患者來源的腫瘤細胞、星形膠質(zhì)細胞和BECS構(gòu)建了一種能夠模擬BM-NSCLC復雜BTME的3D微流控裝置，并開發(fā)一種可以單獨收集各種細胞和培養(yǎng)基的方法，以便進行更深入的分子研究。該模型為精準治療和臨床前評估針對轉(zhuǎn)移和耐藥腫瘤的全新治療方案提供了一種潛在的藥物篩選模型。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202201785

審核編輯 ：李倩