發(fā)布日期：2018-02-08
以前，傳統(tǒng)的癌細(xì)胞研究只能在皮氏培養(yǎng)皿和顯微鏡載玻片中進(jìn)行。而現(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一個(gè)新的三維模型，這個(gè)模型可模擬更為接近于人體的環(huán)境，從而分析癌細(xì)胞的復(fù)雜性。
每天，人體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生約1000億個(gè)新細(xì)胞。這些新細(xì)胞與數(shù)以萬億計(jì)之前產(chǎn)生的細(xì)胞一起形成了我們賴以生存的組織和器官。有時(shí)，在細(xì)胞產(chǎn)生的過程中，其DNA發(fā)生突變，使得細(xì)胞存在缺陷并可能會(huì)對(duì)人體內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)。通常情況下，細(xì)胞會(huì)識(shí)別自身的缺陷并很快自行終止。
但有時(shí)候，突變的細(xì)胞非但沒有自行消除，反而不斷復(fù)制，從而形成可以分裂、轉(zhuǎn)移（即遷移）并侵入身體其他部分的腫瘤，這種侵入通常是通過血流完成。幸運(yùn)的是，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程菲利普·勒迪克（Philip LeDuc）教授和博士生詹姆斯·李·萬（James Li Wan）及匹茲堡大學(xué)乳腺癌研究員卡羅拉·諾伊曼博士（Dr. Carola Neumann）合作，開發(fā)了一個(gè)面向患者的模型?？茖W(xué)家可以使用這個(gè)模型更好地理解并最終終止癌細(xì)胞的遷移。
該研究組的研究論文發(fā)表在《Scientific Reports》，題為“通過微銑技術(shù)在芯片方法中模擬三維癌癥的嵌入式脈管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Mimicking Embedded Vasculature Structure for 3-D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling）”。
據(jù)勒迪克介紹，這個(gè)項(xiàng)目的起因是研究人員對(duì)物理科學(xué)與癌癥之間的關(guān)系越來越感興趣。腫瘤實(shí)際上就是體內(nèi)腫塊，生化和物理手段都可以對(duì)其和癌細(xì)胞產(chǎn)生影響。而考慮到這兩種手段之間的關(guān)系，勒迪克、諾伊曼和萬開始關(guān)注癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和分析。通過合作，他們能夠開發(fā)出一種更精確、更相關(guān)的研究癌細(xì)胞的方法。
不同于傳統(tǒng)上在塑料培養(yǎng)皿中進(jìn)行的癌細(xì)胞分析，研究小組建立了一個(gè)能更精確地反映生物體生理?xiàng)l件的三維模型。借助這個(gè)模型，科學(xué)家們可以在與人體更加相似的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)并分析癌細(xì)胞的復(fù)雜性。
“幾十年來，生物學(xué)研究都在皮氏培養(yǎng)皿中進(jìn)行，”勒迪克說，“但問題是，能制造出更有生理學(xué)意義的系統(tǒng)嗎？我們使用微流體和微制造方法來創(chuàng)建三維系統(tǒng)，這是因?yàn)榧?xì)胞存在于三維組織中，在自然條件下，它們是不會(huì)駐留在二維培養(yǎng)皿中的。”
一般來說，所謂微流體系統(tǒng)就是在微觀水平上傳輸液體的系統(tǒng)，通常由塑料制成。但是勒迪克、諾伊曼和萬想要建立一個(gè)更具生理學(xué)意義的系統(tǒng)，他們使用了人體內(nèi)最主要的蛋白質(zhì)——膠原蛋白來構(gòu)建他們的微流體系統(tǒng)。
“正如菲利普所說，過去我們用塑料培養(yǎng)細(xì)胞，用皮氏培養(yǎng)皿研究。”匹茲堡大學(xué)藥理學(xué)和化學(xué)生物學(xué)副教授諾伊曼說。“但是，人體內(nèi)是沒有任何塑料的。擁有一個(gè)模仿生理?xiàng)l件的三維系統(tǒng)更好，能獲得更快、更相關(guān)的結(jié)果。”
每個(gè)該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的微流體裝置包含兩個(gè)關(guān)鍵組件：模擬傳統(tǒng)血管的平行通道和嵌入膠原中的癌細(xì)胞濃度集合。
一旦裝置設(shè)立成功，通道就會(huì)被注入能擴(kuò)散到周圍膠原蛋白的化學(xué)刺激劑。隨著興奮劑分子遠(yuǎn)離通道，產(chǎn)生生物分子梯度。這種梯度能促使嵌入的癌細(xì)胞移動(dòng)，而這種移動(dòng)往往是向著模擬血管通道的。
就病人來說，如果癌細(xì)胞進(jìn)入血液，它們就會(huì)轉(zhuǎn)移，并可能形成繼發(fā)性癌腫瘤。據(jù)勒迪克和諾伊曼稱，大多數(shù)實(shí)體瘤患者通常死于腫瘤轉(zhuǎn)移，而非原發(fā)性腫瘤本身。這就是為什么科學(xué)家首先要弄清楚如何阻止癌細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移。
癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移具有從原發(fā)腫瘤轉(zhuǎn)移到血液或淋巴系統(tǒng)的能力—— 這一過程需要癌細(xì)胞遷移并重塑腫瘤組織以侵入身體的其他部位。所以，為了阻止其轉(zhuǎn)移，科學(xué)家需要了解哪些因素能夠支持癌細(xì)胞的移動(dòng)和組織重塑。這也就解釋了為何勒迪克、諾伊曼和萬開發(fā)的這個(gè)三維系統(tǒng)如此重要。
“癌癥是一種極其異質(zhì)性的疾病。這就意味著不僅每個(gè)患者的癌細(xì)胞各不相同，甚至在一個(gè)腫瘤內(nèi)，癌細(xì)胞也有所不同。”諾伊曼說。“轉(zhuǎn)移也是如此。根據(jù)它們?cè)谏眢w中的位置，每個(gè)繼發(fā)性腫瘤也不相同。”
勒迪克、諾伊曼和萬相信，研究人員最終會(huì)使用他們的系統(tǒng)來檢查每個(gè)患者的腫瘤以確定每位患者的最佳治療方法。這個(gè)過程最終將有助于使癌癥治療更加個(gè)性化和有效。
“我們的模型可以作為某個(gè)特定患者的模型，”萬說。他組織完成了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)并分析了研究結(jié)果。“這非常重要，正是由于每個(gè)病人的癌癥各不相同，才使得它很難治愈。”
理想的話，這個(gè)由勒迪克，諾伊曼和萬開發(fā)的三維系統(tǒng)將為研究人員和科學(xué)家提供所需工具，以阻止患者癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。
“如果至始至終，腫瘤只能呆在原位，什么都不能做。這樣對(duì)病人來說還好。”勒迪克說，“但是一旦它發(fā)生轉(zhuǎn)移，一切失控了。我們希望我們的系統(tǒng)能對(duì)終止癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移有所幫助，并且從長遠(yuǎn)來看，希望它能改善病人的治療效果。
來源：DeepTech深科技（微信號(hào) mit-tr）
