目前,治療癌癥在很大程度上依賴靶向藥物,但是只有極少數(shù)的藥物通過臨床試驗(yàn)。當(dāng)前臨床前模型的低預(yù)測能力仍然是要克服的巨大挑戰(zhàn)。體外技術(shù)動物模型、微流體等已經(jīng)成為用于快速產(chǎn)生多個預(yù)測人體模型的重要工具。鑒于腫瘤微環(huán)境(TME)可以在癌癥進(jìn)展、藥物吸收和/或耐藥中發(fā)揮作用,因此微環(huán)境中的腫瘤已成為研究重點(diǎn)。尤其是在藥物反應(yīng)的情況下了解腫瘤是如何影響微血管重塑和功能的。缺乏有關(guān)TME中腫瘤與內(nèi)皮相互作用的知識導(dǎo)致無法預(yù)測現(xiàn)有人類腫瘤模型。隨著用于生成體外微血管的工具(包括犧牲性模具和微流控技術(shù))的開發(fā),研究脈管系統(tǒng)在腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移過程中的作用也逐漸增加,包括在芯片上檢查腫瘤細(xì)胞的定位和遷移。盡管許多模型已被開發(fā),但沒有一個模型能夠?qū)в醒芟到y(tǒng)的腫瘤整合到藥物中來??紤]到許多治療化合物靶向腫瘤增殖和生存能力,有必要研究其對TME的作用。

MIT《先進(jìn)功能材料》:3D血管化腫瘤芯片檢測腫瘤藥物輸送

近日,麻省理工學(xué)院的Mark R. Gillrie教授團(tuán)隊在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了Endothelial Regulation of Drug Transport in a 3D Vascularized Tumor Model,作者將3D腫瘤球體嵌入可灌注微血管網(wǎng)絡(luò)內(nèi),文章旨在開發(fā)一種能夠在生理腫瘤微環(huán)境中預(yù)測藥物遞送的系統(tǒng)。這是首次在血管系統(tǒng)中培養(yǎng)腫瘤球狀體,目的是探索更具生化的腫瘤微環(huán)境中的藥物傳遞,并研究其對內(nèi)皮的影響和作用。兩種具有代表性的腫瘤(卵巢癌和肺癌)在局部顯著影響血管。腫瘤鄰近血管的形態(tài)和通透性的改變導(dǎo)致了藥物傳遞的差異,在復(fù)雜的TME和較簡單的球狀體之間很明顯,表明需要使用更相關(guān)的TME進(jìn)行藥物測試。在臨床上采用藥物外排泵抑制劑的情況下,還對藥物的遞送進(jìn)行了檢查,以改善化療藥物的吸收,證明其受內(nèi)皮調(diào)節(jié)。這種培養(yǎng)方法有助于研究各種靶向和生理學(xué)化合物,以及檢查免疫相互作用和原發(fā)性或獲得性耐藥性,這些都需要存在3D血管化微環(huán)境。

【研究成果】

1.血管化腫瘤模型的建立

為了增強(qiáng)癌癥藥物篩選的預(yù)測能力,作者開發(fā)了體外血管化腫瘤模型作為改進(jìn)的病理生理平臺。該模型利用兩種3D體外技術(shù)作為簡化的腫瘤模型,并使用基于水凝膠的微流控技術(shù)生成相關(guān)的血管化腫瘤微環(huán)境(TME)。在設(shè)備中嵌入腫瘤球體(TSs),可在可灌注微血管的情況下探測腫瘤的生長/死亡(圖 1)。該系統(tǒng)可以直接檢查TS對內(nèi)皮的影響,并且可以通過血管將藥物轉(zhuǎn)運(yùn)到腫瘤。作者使用卵巢癌(Skov3)和肺腺癌(A549)細(xì)胞來檢驗(yàn)該平臺的實(shí)用性。兩種癌細(xì)胞都產(chǎn)生致密的聚集TS(圖1B)。然后在纖維蛋白凝膠中與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)和正常人肺成纖維細(xì)胞(nhLF)共同培養(yǎng)。在前72小時內(nèi),單個細(xì)胞在TS存在下延伸,互連并形成血管網(wǎng)絡(luò),然后在第5天形成管腔。在共培養(yǎng)期間測量TS的生長,直徑增加(圖 1C,D)。

MIT《先進(jìn)功能材料》:3D血管化腫瘤芯片檢測腫瘤藥物輸送
圖1用于癌癥特異性表征和藥物傳播的3D血管化腫瘤模型。

 

2.腫瘤特異性對血管形成的影響

除腫瘤表征外,這種培養(yǎng)方法還可用于研究周圍脈管系統(tǒng)腫瘤的變化。培養(yǎng)7天后,兩種類型的TS附近的脈管系統(tǒng)局部區(qū)域出現(xiàn)明顯差異(圖 2)。比起更遠(yuǎn)端的radial骨區(qū)域,與TS最鄰近(近端)的區(qū)域的血管密度(血管/總面積)均降低(圖2A,B)。然而,與A549相比,Skov3腫瘤導(dǎo)致血管密度顯著降低。Skov3在靠近TS的血管網(wǎng)絡(luò)中誘導(dǎo)局部凋亡區(qū)域,這與A549附近均勻分布相反(圖2C)。作者認(rèn)為血管密度和細(xì)胞凋亡的差異是由于兩種腫瘤類型之間遷移模式或細(xì)胞因子表達(dá)的改變所致。第7天后,盡管大量的Skov3從TS表面遷移,但它們距TS的距離遠(yuǎn)小于A549(圖2D)。這種遷徙反應(yīng)可導(dǎo)致在TS附近血管死亡/密度差異,但也可能改變局部促炎性標(biāo)志物濃度、代謝物和生長因子,或含有RNA或蛋白質(zhì)的外來體。因此,作者使用人類細(xì)胞因子抗體陣列來研究這些差異(圖2E)。結(jié)果表明A549 TS導(dǎo)致血管生成因子(包括血管生成素)的更高表達(dá)。

MIT《先進(jìn)功能材料》:3D血管化腫瘤芯片檢測腫瘤藥物輸送
圖2腫瘤細(xì)胞浸潤TME,在血管系統(tǒng)中腫瘤相關(guān)的變化。

 

3.腫瘤引起的血管通透性變化

癌細(xì)胞可誘導(dǎo)血管通透性增加很大程度上是VEGF等信號分子引起的。作者以3D腫瘤附近和遠(yuǎn)離空間的高分辨率研究這種現(xiàn)象。為此,將TS與新生的血管網(wǎng)絡(luò)共培養(yǎng)直至第4天,此時將單層接種到培養(yǎng)基通道中,最后在第7天使用熒光葡聚糖(40 kDa)將微血管灌注。通過熒光示蹤劑從血管內(nèi)到血管外空間的泄漏來計算微血管通透性 (圖3)。與A549相比,Skov3對與TS相鄰且距離更遠(yuǎn)的血管滲透性有更顯著的影響,這可能是因?yàn)槟[瘤相關(guān)信號的改變。此外,血管網(wǎng)絡(luò)(TS‐MVN)培養(yǎng)物中TNFα濃度僅略有增加,促炎細(xì)胞因子或其他局部分泌因子可能導(dǎo)致屏障功能受損,但需要進(jìn)一步研究。腫瘤對相鄰血管重塑和通透性的局部影響將改變腫瘤藥物遞送。

MIT《先進(jìn)功能材料》:3D血管化腫瘤芯片檢測腫瘤藥物輸送
圖3 內(nèi)皮滲透性受腫瘤的存在局部影響。

 

4. 3D化學(xué)療法的血管運(yùn)輸

為了測試該系統(tǒng)中藥物的遞送效率,用紫杉醇對微血管和球體進(jìn)行了處理。MVNs的滲透性僅在紫杉醇濃度增加的情況下處理1小時就顯著增加(圖4B)。作者比較了簡單球體模型和系統(tǒng)之間的藥物輸送。紫杉醇被用于單獨(dú)治療和在血管網(wǎng)絡(luò)(TS‐MVN)內(nèi)的TS(圖4C–G)。在紫杉醇治療后72小時,腫瘤明顯的細(xì)胞死亡(圖4D)。對于單獨(dú)的球體(TS)治療,兩種腫瘤細(xì)胞系中紫杉醇濃度的增加都會導(dǎo)致胱天蛋白酶信號明顯升高(圖4E)。Caspase 3/7強(qiáng)度隨著紫杉醇治療而增加(圖4F)。雖然Skov3和A549 TS的半胱天冬酶強(qiáng)度沒有差異,但與TS相鄰的腫瘤外區(qū)域的細(xì)胞凋亡增加(圖4G)。作者還在紫杉醇治療后的24、48和72小時內(nèi)測量了腫瘤大?。ㄖ睆剑▓D4H),治療后A549 TSs的總直徑持續(xù)增加,而Skov3 TS的直徑縮小。

MIT《先進(jìn)功能材料》:3D血管化腫瘤芯片檢測腫瘤藥物輸送
圖4紫杉醇治療影響內(nèi)皮和腫瘤。

 

5.相關(guān)TME中的耐藥性

通過Western blot和流式細(xì)胞術(shù)在所有細(xì)胞類型中檢測P-gp(也稱為MDR1)的表達(dá)。在紫杉醇處理后,A549和Skov3中的平均P-gp表達(dá)降低,但HUVEC中的平均P-gp表達(dá)顯著提高(圖5A)。與A549和Skov3相比,488-Taxol的吸收更高(圖5C)。腫瘤細(xì)胞中P-gp表達(dá)降低可能與其他藥物外排蛋白的表達(dá)增加相對應(yīng),從而有助于耐藥性。最后,在3D模型中檢查了P-gp函數(shù)(圖5E),該結(jié)果表明,與不存在MVN相比,紫杉醇和P-gp抑制劑的運(yùn)輸都受到了MVN的阻礙。因此,P-gp抑制劑最終對所測試濃度的腫瘤中的化療藥物(488-Taxol)積累幾乎沒有影響,進(jìn)一步證明了采用3D血管化腫瘤模型相關(guān)病理學(xué)的重要性。

MIT《先進(jìn)功能材料》:3D血管化腫瘤芯片檢測腫瘤藥物輸送
圖5.紫杉醇在細(xì)胞內(nèi)的吸收取決于細(xì)胞和外排。

 

6. TME和擴(kuò)散限制的藥物遞送

在TS‐MVN系統(tǒng)中,成纖維細(xì)胞與腫瘤球體密切相關(guān)(圖 6A)。細(xì)胞占據(jù)了原本可以擴(kuò)散的體積,并且還可能沉積大量的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)。實(shí)際上,諸如膠原蛋白III之類的基質(zhì)蛋白表達(dá)增加與耐藥性相關(guān),并在腫瘤附近強(qiáng)烈表達(dá)(圖6B)。對于兩種癌細(xì)胞類型在不存在結(jié)合情況下分子擴(kuò)散性,緊鄰TS且在TS自身內(nèi)的直接TME基質(zhì)中的擴(kuò)散率顯著降低(圖6C)。雖然兩種細(xì)胞類型在基質(zhì)或TME基質(zhì)中的擴(kuò)散率沒有差異,但腫瘤本身卻存在顯著差異。與Skov3相比,A549限制TS中的分子擴(kuò)散(圖6D)。

MIT《先進(jìn)功能材料》:3D血管化腫瘤芯片檢測腫瘤藥物輸送
圖6. 藥物運(yùn)輸受腫瘤微環(huán)境影響。

 

【結(jié)論】

該工作的人類腫瘤芯片模型將可灌注微血管直接與腫瘤整合在一起,從而可以檢查關(guān)鍵的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。該模型證明了完整有效的血管網(wǎng)絡(luò)對于有效藥物輸送的重要性,因?yàn)槟[瘤引起的重塑會顯著影響局部TME和脈管系統(tǒng)。該模型有可能進(jìn)一步發(fā)展成更準(zhǔn)確的臨床前模型,以檢查復(fù)雜的免疫細(xì)胞和靶向抗體之間的相互作用以及化學(xué)療法。

 

相關(guān)新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部