目前，抗腫瘤藥物的體外篩選仍舊面臨一些挑戰(zhàn),。在單細胞水平,，需要最大限度的解析細胞異質性，從而解決不同細胞藥物反應的差異,。在類器官水平,，需要最大限度的實現(xiàn)微環(huán)境仿真，解決體外與體內藥物反應的差異,。面對這些挑戰(zhàn),，微流控芯片提供了很好的技術平臺。

微流控芯片已被公認為細胞生物學研究的有利工具,。將微流控芯片用于抗腫瘤藥物篩選具有十分突出的優(yōu)勢,。其微尺度結構便于實現(xiàn)靜息細胞調控,，高密度微結構便于實現(xiàn)高通量分析，同時微量流體控制便于模擬體內流體行為,，通過對材料化學性質控制便于模擬體內微環(huán)境,。 

圖1.  基于抗腫瘤藥物組合篩選的微流控芯片^[1]

聯(lián)合用藥通常被認為比單藥策略更有效，其基本原理是使用不同機制起作用的藥物,，從而最大限度降低耐藥癌細胞生長的可能性,。當不同療效的藥物聯(lián)合使用時，最理想的狀態(tài)是每種藥物均可按其最佳劑量使用,，而不會產(chǎn)生不可接受的副作用,。目前應用最廣泛的測試方法就是體外細胞實驗來驗證有效的藥物組合。為了找到最有效的藥物組合,，需要大量的實驗來篩選各種藥物濃度和藥物組合,。因此，建立高效便捷的高通量藥物篩選系統(tǒng)是非常迫切的,。

與傳統(tǒng)的細胞分析系統(tǒng)相比,，新興的微流控芯片技術在高通量藥物篩選方面展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。除了微流體的共通優(yōu)勢,，包括高通量,、低試劑消耗和潛在的整合性，微流體用于細胞藥物檢測的最具影響力的好處是在微尺度上重建細胞微環(huán)境的能力,。一方面,微流控芯片促進從2D到3D細胞培養(yǎng)的轉變,這是生物仿生模擬進程中的重要一步,。另一方面,微流體技術可以精確地控制微米級通道中的流體，因此可能成為模擬血管的一個有價值的工具,。

圖2.  芯片重構腫瘤微環(huán)境^[1]

大多數(shù)微流控細胞培養(yǎng)系統(tǒng)采用灌注系統(tǒng),。與毛細管系統(tǒng)大小相當?shù)奈⑼ǖ纼纫后w的灌注模擬了體內的流體行為。雖然先前發(fā)展的灌注微流體技術非常成功,，但在流動條件下培養(yǎng)細胞仍存在一些挑戰(zhàn),。首先，很難實時精確地控制和測量微通道內特定位置的pH值,、氧和營養(yǎng)水平,，因為這通常需要對每個設備進行仔細的驗證實驗和進料標準校準。其次,，這些連續(xù)灌注細胞培養(yǎng)系統(tǒng)往往涉及高試劑消耗,。第三，大多數(shù)灌注系統(tǒng)不能進行復雜的多步驟細胞檢測實驗,。此外,，灌注微流控系統(tǒng)需要多個管道連接和注射泵才能運行，這極大的增大了管路和連接部件的復雜性。面對這些問題,，篩選潛在的聯(lián)合用藥對當前的微流控細胞培養(yǎng)系統(tǒng)提出了重大挑戰(zhàn),。

針對上述局限性，本文提出了一種基于開放存取的細胞培養(yǎng)芯片設計方案,。設計將細胞培養(yǎng)在開放存取的“蓄水池”中,，可以同時或順序加入不同的試劑或反應物質，提供穩(wěn)定的細胞微環(huán)境,。這種設計有利于細胞培養(yǎng)室內的介質交換,，便于對細胞進行持續(xù)維護和監(jiān)測。

該芯片包含一個納米孔薄膜,，該膜將具有介質儲層的頂層與具有細胞培養(yǎng)室陣列的底層分隔開,。一方面，納米孔膜允許空氣流動,，但不允許液體流動,，從而充當一個流量閥,，使細胞自動分布;另一方面,，它作為內皮層，允許基于擴散的介質交換,，只需將細胞懸浮液注入細胞培養(yǎng)室陣列即可形成細胞培養(yǎng)陣列,。通過類似于機械臂的移液槍可以實現(xiàn)藥物測試過程中的多個步驟,整個過程可以以編程的方式實現(xiàn)自動操作。

正交篩選抗癌藥物,，驗證了開放式微流體組織陣列系統(tǒng)的靈活性,。正交設計是一種用于測試多種干預成分的比較有效性的實驗設計，可以通過計算變量的響應來尋找最佳的實驗條件,。正交實驗設計是一個強大的工具,，控制單一變量以確定最佳的藥物組合處方。采用開放獲取的微流控組織陣列系統(tǒng)進行正交篩選,，包括對乳腺癌細胞和肝細胞進行細胞活力檢測,，選擇藥物組合，以達到最大的殺傷效果,，消除癌細胞,，并使不良的脫靶效應最小化。

所研制的微流控芯片為細胞生長提供了適宜的環(huán)境。水凝膠作為三維細胞培養(yǎng)的支架;隨著培養(yǎng)時間的延長,，細胞會發(fā)生聚集也證實了這一點,。形態(tài)學和免疫組化分析表明，在體內與微芯片上形成的腫瘤球體與腫瘤組織相吻合。已經(jīng)證明,，藥物從血管輸送到癌細胞的效率很低,，這是由于氧氣、營養(yǎng)物質,、代謝物和信號分子的擴散分布有限造成的,。因此，構建具有仿生擴散屏障的腫瘤組織是體外藥物試驗的關鍵,。人工內皮層對于構建體外抗癌藥物試驗的仿生模型至關重要,。在片上細胞培養(yǎng)環(huán)境中，三維細胞培養(yǎng)模擬實體腫瘤,，納米孔膜模擬內皮層,。重組的腫瘤微環(huán)境保證了在仿生環(huán)境下進行藥物檢測。開放存取微流體組織陣列正交藥物組合篩選,。

如下圖所示,，當用主通道中的懸浮細胞灌注海藻酸鹽溶液時，液體優(yōu)先填充微室,。因此,，海藻酸鹽溶液被依次填充在一系列的微室中。整個過程,，形成細胞培養(yǎng)陣列僅僅需要約90秒,，過量的液體隨后被從主管道排出。與Ca2+接觸后,，海藻酸鈉溶液凝膠成海藻酸鈣水凝膠,，作為支撐3D細胞培養(yǎng)的支架。

細胞接種后,，檢測細胞培養(yǎng)室的熒光密度,。播種后，細胞隨機分布于整個微室,。熒光圖像顯示分散的單個腫瘤細胞進入微腔后仍保持完整的細胞膜,。細胞不斷增殖，形成大的細胞聚集體,。細胞培養(yǎng)3天內細胞密度增加100%,，細胞存活率保持在90%以上。激光共聚焦掃描顯示乳腺癌細胞在微腔內形成小的聚集物,。

通過正交篩選,，不僅可以選擇合適的藥物組合，而且可以進行簡化試驗,。通過正交試驗設計,，節(jié)省了67%的試驗。因此，采用開放入口微流控組織陣列系統(tǒng)進行正交篩選,，可顯著提高藥物檢測的效率,。

圖7.  應用于正交篩選選擇合適的藥物組合^[1]

本文介紹了利用開放存取微流體組織陣列系統(tǒng)對抗癌藥物進行正交篩選的方法。所開發(fā)的微流控芯片具有以下特點：(1)易于通過液體自動分配形成組織陣列,；(2)重組腫瘤組織,，在仿生環(huán)境下進行藥物檢測；(3)具有復雜多步液體操作的可行性和方便性,。

展望未來,，微流控芯片在藥物篩選方面的貢獻將有巨大發(fā)展前景。三維細胞培養(yǎng)與微流控網(wǎng)絡在微芯片上的結合,，為基于活組織的應用提供了巨大的潛力,，如新興的器官芯片系統(tǒng)已經(jīng)在藥物篩選工作中展現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。

參考文獻

1.  Lin, D.; Li, P.; Lin, J.; Shu, B.; Wang, W.;Zhang, Q.; Yang, N.; Liu, D.; Xu, B., Orthogonal Screening of Anticancer DrugsUsing an Open-Access Microfluidic Tissue Array System. Anal Chem 2017, 89, 11976-11984.