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基於病人自體腫瘤細胞體外培養模型的個體化精準用藥

來源 : 中國醫療設備 2016年第6期
update : 2016/08/17
勾越陽鄢曉君周律杜亞楠–清華大學 醫學院 生物醫學工程系,北京
朱路–清華大學 醫學院 生物醫學工程系,北京;軍事醫學科學院 衛生裝備研究所,天津
廖泉–北京協和醫院 外科,北京
王斌–北京大學人民醫院 骨關節科,北京
葉春祥–北京大學人民醫院 胃腸外科,北京
馮長江–北京大學人民醫院 .胸外科,北京
 
摘 要:精準醫療概念的提出為腫瘤治療開創了新的時代。利用基因測序技術精準地找到患者基因突變靶標,採取針對性的化療藥物治療,對癌細胞完成“精確打擊”成為腫瘤治療的新模式。然而,由於癌細胞基因的不穩定性,僅僅採用基因測序這種間接方式,在大多數情況下並不足以給出最合理的用藥方案。而精準醫療不僅僅是基因測序,還包括了多層面醫療技術的使用。利用病人自體腫瘤細胞體外模型對候選藥物或藥物組合進行精確的藥理分析和藥效檢測,是一種更為直接、更為準確的腫瘤診治模式。將基因篩選與體外腫瘤模型分析相結合,可以更大程度上的篩選出對病人個體有效的化療藥物,從而最終實現對患者進行個體化精準用藥的目的。本文對基於病人自體腫瘤細胞體外模型指導個性化用藥的發展歷程、現狀及未來展望進行了綜述。
  
精準醫療的概念
1.1 精準醫療的背景
精準醫療需考慮患者個體化差異,其中一個發展趨勢是利用基因組、蛋白質組學技術和醫學前沿技術,通過分析大樣本人群和特定疾病,精確地找到病因和靶點,並據此制定個性化精準治療方案。精準醫療將改變現有的診斷、治療模式,為醫學發展帶來一場變革[1]。目前我國正在制定“精準醫療”戰略規劃,這一規劃有望納入到“十三五”重大科技專項。與傳統群體醫療以個人經驗為主導、片面強調標準化不同,精準醫療更注重利用患者自身的分子生物學資訊,制定與病人自身病理特點相匹配的個體化診斷和治療策略。這種更為精確的個體化醫療模式在臨床實踐中顯現出高度的確定性、預見性和可控性,特別適用於惡性腫瘤、糖尿病等重大疾病的臨床診治。通過整合各類組學技術和生物資訊與大資料科學的交叉應用,精準醫療可以更有針對性的對特定患者的特定疾病進行個性化治療。人們普遍相信這種新型醫療模式必將開創一個新的醫學時代[2]。
 
1.2 精準醫療用於腫瘤治療
癌症是當今危害人類健康的主要疾病。在中國,癌症發生率正處於快速上升期並已成為第一死因。癌症本質上與基因突變息息相關,而這一基因變異過程的發生和演變通常是動態的,且存在高度異質性。不同的疾病進展階段以及不同的腫瘤細胞可能攜帶不同的變異資訊,從而對以大規模人群為基礎開發和測試藥物的治療模式造成了嚴峻挑戰[3]。由於新一代測序技術的快速發展,人們已經能夠快速、高解析度地分析基因組,通過高通量測序方法獲得腫瘤基因突變、拷貝數變異、基因移位和融合基因等海量基因變異資訊;然後從海量的組學資料中解碼和提煉相關變異資訊,提取起決定性作用的關鍵資料,從而在成千上萬的基因突變位點中,找到真正引發癌變的關鍵基因。再以大資料分析結果作為依據,制定因人因病而異的治療方案[4]。然而,由於腫瘤的異質性,同一腫瘤患者不同癌細胞的基因突變並不一定相同,不同關鍵基因突變的隨機組合,導致癌症治療難度大為增加;更為嚴重的是癌症細胞週期檢查點已破壞,各種新突變及融合基因仍在不斷累積,這些新突變及融合基因可能會破壞這些靶向藥物的靶點及其下游信號,從而使靶向治療藥物失效。因此,看似已抑制了關鍵基因,但癌症細胞又建立新的關鍵基因並產生旁路,導致費盡心思尋找到的藥物在幾個月時間內產生抗藥性而失效[5]。從臨床實踐來看,由基因(生物標記)檢測及診斷並通過統計/ 數學資訊模型、生物大數據分析提煉的方法選擇治療方案仍處於發展階段,在可靠性和重複性方面還具有相當大的挑戰,導致目前完全依賴於這種間接性精準醫療方案在臨床應用上仍有局限性。
 
1.3 基因組精準篩查與自體腫瘤細胞體外檢測聯合使用
為了彌補基因組精準篩查技術在可靠性和重複性方面的不足,人們開始嘗試將病人自體腫瘤細胞的體外藥敏檢測技術引入到精準醫療方案中。杭渤等[5] 等報導的癌症醫療中的個體化用藥方案,見圖1,通過在體外構造與病人腫瘤細胞相適應的生長微環境,使其在體外迅速適應並快速增殖,再根據基因組精準篩查遴選出的用藥方案,直接觀察抗癌藥物或藥物組合對病人自體癌細胞的反應,從而在臨床用藥前對基因組篩查確定的用藥方案進行驗證和擴展,為病人提供更為安全、可靠的個體化精準用藥方案。特別是使用體外3D組織或類器官作為抗癌藥物的篩選和驗證模型已越來越多的受到人們的重視[5]。


基於自體腫瘤細胞體外培養模型的藥敏測試技術介紹及分類
2.1 技術介紹
雖然自體腫瘤細胞體外培養模型千差萬別,但其基本的實驗思路是十分相似的。首先在手術切割或者活檢過程中得到臨床病人的腫瘤組織樣本,然後通過物理與酶消化的方式獲得所需的腫瘤細胞或微組織,在體外進行大規模培養。當其生長到足夠的細胞數量時,分裝到高通量的孔板中,用已有的抗癌藥物庫進行藥物篩查,通過細胞活性和生物標誌物表達的檢測,確定有效的藥物,並最終指導病人的用藥[6]。
 
2.2 按腫瘤組織處理結果分類
2.2.1 單細胞
通過以酶消化為主、物理消化為輔的方式將腫瘤組織分離出單細胞懸液,在單細胞懸液中加測試藥物進行培養,以觀察克隆形成、MTT、MTS 顏色、ATP 螢光值、放射性摻入變化等不同檢測終點,評價腫瘤細胞對藥物的敏感性。其中最常用的方法是MTT、MTS、ATP 法。該類方法一般來說具有檢測方法簡單、無需特殊設備、便於開展、實驗時間短等特點。但成功率低、指導臨床選擇化療藥物/ 方案與臨床結果符合率低、可靠性差。這是因為原代細胞分離成單細胞後,不容易培養生長,大多數情況下加或不加藥物細胞均會因無法貼壁生長而凋亡。這可能是長期以來臨床醫生未能接受藥敏指導化療的主要原因之一。
 
另外,該類方法未能模擬體內微環境,不能對經肝酶代謝後產生抗癌作用的藥物如環磷醯胺等進行藥敏試驗。儘管檢測的手段不同,但原代細胞培養與擴增是該類方法的瓶頸,制約著其成功率和可靠性。同時分離後的原代細胞中不可避免地混雜有腫瘤間質細胞如成纖維細胞(通常較腫瘤細胞更易生長)等,可能對藥敏試驗的結果有影響。
 
2.2.2 微組織塊
由於以上方法均須分離細胞,破壞了組織結構的完整性,影響了腫瘤細胞之間的相互聯繫,導致結果欠可靠。為此,Hoffman 於20 世紀90 年代初建立組織塊培養(Histoculture Drug Response Assay,HDRA)方法。該法是將腫瘤組織以組織塊的形式在膠原上進行培養,然後加入化療藥物,觀察組織塊對化療藥物的敏感性。其特點是保持細胞間接觸,維持了組織形態和功能,更加接近機體實體瘤內環境,臨床效果相關性好,非常適用于臨床應用。研究表明,HDRA 法可有效指導臨床化療用藥,提高多種腫瘤的臨床療效,例如卵巢癌、乳腺癌、肺癌、食管癌、骨肉瘤、頭頸部鱗癌等。Tanahashi 等報導了70 例肺癌患者用HDRA 法檢測藥敏,其中16 例III 期肺癌患者接受了誘導化療,39 例III 期肺癌患者接受了輔助化療,均按照兩種敏感藥物化療、一種敏感藥物化療、不敏感藥物化療分成3 組。結果發現對於採用誘導化療者,3 組的有效率分別為100%、50% 和0%,兩種敏感藥物化療組的3 年存活率高於後兩組。對於採用輔助化療者,兩種敏感藥物化療組具有更高的存活率(P=0.03),提示HDRA 指導的化療有助於提高臨床療效和生存時間。
 
中山大學符立梧、梁永钜等對此方法進行了改良,已成功建立了一種微小組織塊培養-MTT 終點染色- 電腦圖像分析體外藥物敏感性試驗法。該方法採用體外腫瘤組織塊培養,通過分析給藥前和給藥後腫瘤組織的面積及顏色變化,獲得多種單藥或聯合用藥以及不同藥物濃度下的腫瘤生長抑制率。目前已用此法檢測肝癌、卵巢癌、胃癌、頭頸部腫瘤等實體瘤數百例,取得良好的效果,其檢測結果總符合率達85.7%。該法是目前較理想的腫瘤藥敏試驗方法,具有方法模擬體內微環境、穩定、重複性好、標本需要量少、實驗耗時短(5 d)、可評價率高、結果直觀可靠等優點,將被廣泛應用。近年來,國內外許多學者對腫瘤患者的外周血白細胞(Peripheral Blood Leucocyte,PBL)和腫瘤細胞這兩者對各種化療藥物敏感性的相關性進行了大量的研究,結果顯示多種腫瘤患者的PBL 與腫瘤細胞體外藥敏檢測具有較好的相關性,而且腫瘤患者的PBL 和腫瘤細胞一樣,對不同的藥物敏感性不一樣,都具有個體差異[7]。因此,對於在臨床上對無法取到腫瘤標本進行藥敏檢測的患者,可考慮取外周血淋巴細胞代替,這樣可提高藥敏試驗的臨床適用性,但仍需廣泛驗證。藥物基因組學與藥敏試驗相結合在指導腫瘤化療方面也取得了明顯的效果,如結腸癌患者胸苷合成酶(TS)基因多態性與5-Fu的療效相關, 研究表明TYMS*2/*2 或TYMS*2/*3 型的患者比TYMS*3/*3 型對5-Fu 的敏感性更高且毒副作用更小。Chang 等[8] 的最新研究發現,MDR1 SNPs 與紫杉醇的藥效相關:與MDR1 3435 CC 基因型相比,3435 CT 預示著接受單一紫杉醇治療的晚期乳腺癌患者的總體生存率更短。表皮生長因數受體(Epidermal Growth Factor Receptor,EGFR)酪氨酸激酶抑制藥吉非替尼在治療非小細胞肺癌研究中也發現,腫瘤組織EGFR 突變預示著吉非替尼治療有效,無突變者敏感性顯著降低。這些研究提示,腫瘤藥敏試驗與患者的遺傳背景相結合應用於臨床腫瘤治療,對提高個體化治療效果和降低毒副反應的發生具有重要意義。
 
2.3 按腫瘤模型培養方式分類
2.3.1 2D平面培養與3D立體培養
2D平面培養是目前體外構建腫瘤模型的常用方法,利用這種體外模型人們可以對腫瘤的生長、分化、侵襲、轉移、凋亡及藥物反應進行分析。2D單層細胞培養與3D生物材料培養比較,見圖2[9]。作為一種過度簡單化並嚴重脫離機體生物學系統的培養方式,2D培養體系缺乏真實腫瘤組織的3D微環境,如缺少細胞外基質的支援貼壁,生長的細胞失去了原有形態特徵及生長分化的能力,缺乏3D立體構型以研究細胞與細胞、細胞與微環境之間的相互作用,尤其在研究惡性腫瘤細胞的浸潤轉移方面存在嚴重的局限性,導致其在抗腫瘤藥物篩選和檢測中經常造成假陽性[9]。



體外細胞培養的一個重要原則就是模擬體內細胞生長的環境。相對于2D扁平化培養的細胞模型,3D立體環境下培養的細胞在骨架形態、分化水準、遷移能力以及細胞之間相互作用和信號轉導機制等方面更加接近於體內真實情況。因此在這種微環境下生長的腫瘤模型其藥物反應、抗藥性程度以及藥物滲透水準與體內較為接近,從而可更加準確地反映候選藥物或藥物組合的效果。已有相關文獻對此進行了研究,例如乳腺癌細胞系MCF7 在2D培養時以及在基於殼聚糖的3D支架時,在細胞增長數目、葡萄糖的消耗量以及代謝產物乳酸量上都表現出了明顯的不同。在初始葡萄糖濃度相同的情況下,3D培養時MCF7 在快速增長階段消耗的葡萄糖要快,細胞數目較多;在環境中葡萄糖趨於耗盡時,3D培養的MCF7 明顯比2D培養的MCF7 數量要多,在這個過程中,3D培養的MCF7 所產生的代謝產物乳酸量也比2D培養所產生的乳酸量逐漸增多[10]。
 
2.3.2 癌細胞單獨培養與間質細胞共培養
腫瘤微環境除了具備3D空間結構,還包含有多種間質細胞及細胞外基質(Extracellular Matrix,ECM)。近年來的研究表明,腫瘤的發展惡化不僅僅與腫瘤細胞的自分泌有關,而且受周圍細胞及基質的影響很大,與腫瘤細胞共同組成一個系統完備的微環境。這些細胞包括成纖維細胞、巨噬細胞、淋巴細胞及血管內皮細胞等。腫瘤細胞與間質細胞以及細胞外基質的相互作用不僅可以影響腫瘤的生長和轉移,同時也會顯著影響腫瘤對藥物的敏感性和耐受性。這種腫瘤微環境的形成增強了腫瘤對外界的抵抗力,特別是對藥物治療作用的抵抗,導致抗腫瘤藥物的實際藥效常常與單細胞腫瘤模型的預測結果不符。
 
在眾多的間質細胞當中,所占比例最高的是成纖維細胞。這類細胞在一些因素的刺激下被啟動,轉變為腫瘤相關成纖維細胞(TAFs)。這類活化的TAFs 能夠誘發腫瘤形成,促進腫瘤生長,在某些類型的癌細胞中還會誘導發生上皮- 間充質轉化(Epithelial-mesenchymal Transformation,EMT)。另一種起重要作用的間質細胞是巨噬細胞,這種細胞起源于外周血中的單核/ 巨噬細胞,在不同刺激條件下,單核細胞可以分化為促進腫瘤發展的M2 型巨噬細胞。外周血中的單核/ 巨噬細胞被腫瘤微環境中的趨化因數和細胞因數募集到腫瘤微環境後,誘導分化成腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)。這種TAMs 表現出促進腫瘤轉移和生長的作用,並且其浸潤程度與惡性腫瘤的預後密切相關,在多種惡性腫瘤中高密度的TAMs 浸潤是患者生存率降低的指標之一。腫瘤微環境中的內皮細胞是腫瘤血管生成的基礎,新生血管既為腫瘤生長提供營養和氧氣,也是腫瘤侵襲和轉移的主要途徑。內皮細胞和腫瘤細胞相互作用導致兩者粘附分子上調、肌動球蛋白骨架重組,以及鈣粘蛋白的表達變化。內皮細胞還可以通過分泌某些血管生長因數和趨化因數誘導腫瘤細胞產生促炎因數,從而促進腫瘤的轉移和侵襲、增加收縮力和重塑細胞骨架[11]。
 
2.3.3 體外直接培養與異種移植培養
除了直接將病人自體腫瘤細胞在體外培養並檢測外,還有另一類被廣泛採用的個體化藥敏檢測手段,即病人源性異種移植培養(Patient-derired Xenograft,PDX),它是將病人的臨床腫瘤組織轉移到裸鼠中建立動物模型並進行後續檢測。美國西北醫院強文安教授對其進行了深入研究並將這種方法用於藥物開發與腫瘤治療中。這種培養方法的優勢是可以利用異種動物的相同組織環境最大限度的類比人體實驗環境(例如將卵巢癌組織接種於裸鼠卵巢膜下),再通過裸鼠體內微環境實現人源腫瘤細胞的擴大培養並用於藥敏檢測。雖然這種方法可以構造出極為複雜的腫瘤微環境,並且這種微環境很難在體外通過人工方式重建出來的,理論上來說實驗結果應該更具代表性。然而從現有的研究結果來看,結果並非如此。細胞在體成瘤後(實驗動物)的藥敏結果並不等同于藥物對患者有效,致使不少臨床前有較好藥效的藥物在臨床階段被淘汰。另外這種方法技術難度較大、成本昂貴、實驗週期長、缺少重要的免疫影響因素,並且很難實現高通量檢測[12]。
 
領域現狀及未來發展
3.1 病人自體腫瘤細胞的個體化藥效分析和篩選技術
3.1.1 膠滴腫瘤藥敏檢測技術(CD-DST)
原代癌細胞來源少一直制約體外細胞藥敏檢測的推廣。在此種研究背景下,人們建立了膠滴腫瘤藥敏檢測技術(Collagen gel Droplet Culture drug-Sensitivity Test,CDDST),一種體外腫瘤藥敏檢測技術,其突出特點是能夠排除成纖維細胞對實驗的干擾,在體外對抗癌藥物的特異性殺傷作用做出客觀評價,同時所需標本量小(3×103 個細胞/ 孔)的特點擴大了該技術的應用範圍,彌補了目前其他藥敏檢測技術的不足。國外臨床研究表明,此技術的體外檢測結果與臨床療效間存在較好的相關性。
 
由於人體內的腫瘤組織是由腫瘤細胞、正常細胞和細胞外基質共同組成的細胞群體,腫瘤細胞生長的微環境對腫瘤細胞生長產生重要影響。CD-DST 技術是利用膠原凝膠在37 ℃時形成3D立體結構的特點,在體外模仿了體內腫瘤細胞生長的微環境,使腫瘤細胞能夠在與體內環境相似的條件下生長,生長的腫瘤細胞具有與體內相似的細胞形態特點。經過7 d 的培養後,經幹膠、染色、掃描等程式最終對化療藥物對腫瘤細胞的殺傷作用程度做出客觀評價。
 
CD-DST 技術具有以下優勢:① 細胞用量少,這樣不僅可對小量的組織標本進行藥物敏感性測定,而且可以對胸腹水等液體標本進行檢測,從而可以使乳腺針吸活檢標本、胸水標本、組織活檢標本進行體外藥敏檢測,擴大了腫瘤藥敏技術的檢測範圍;② 腫瘤細胞在膠原凝膠所形成的3D立體培養環境中,培養成功率高,細胞具有與體內細胞相似的生長形態;③ 本技術培養的細胞可以採用圖像軟體系統分析結果,可排除成纖維細胞對實驗的干擾,可對抗癌藥物對腫瘤細胞的特異性殺傷作用在體外做出客觀評價;④ 結果測定快速(3 s/ 滴),可利用電腦進行結果分析,測定6 種藥物的時間只需1 min。
 
3.1.2 組織培養藥敏檢測技術(HDRA)
Hoffman 於20 世紀90 年代初建立HDRA 法[13],此方法已在2.2.2 章節中進行了敘述。
 
3.1.3 人腫瘤細胞原代裸鼠移植瘤模型法
為了類比體內環境,人們將腫瘤組織塊接種於裸鼠的皮下或腎包膜下,建立裸鼠移植瘤模型。由於裸鼠缺乏T淋巴細胞,異種移植時排斥反應不明顯,進行人腫瘤移植時,可保持原有的生物學特性及對抗癌藥物的敏感性,也可評估經代謝後起作用的藥物敏感性,是進行腫瘤藥敏試驗的良好模型。1969 年,Rygarrd 和Povlsen 等首次將人結腸癌細胞植入裸鼠皮下獲得成功,之後許多研究者採用裸鼠皮下移植法研究人胃癌、乳腺癌、肺癌等腫瘤對抗癌藥物的敏感性,證實當給予荷瘤裸鼠有效藥物時,移植物的化療敏感性可從本質上反映腫瘤患者的化療敏感性。Fiebig等報導了用此法指導36 例實體瘤患者的化療,結果顯示裸鼠移植瘤法對抗癌藥耐藥性預測的準確率達97%,敏感性達92%。但該方法移植成功率低,同時操作複雜、要求無特定病原(Specific Pathogen Free,SPF)級的動物實驗室、移植瘤生長慢、實驗耗時長(30~40 d)、費用昂貴等,不適合作為常規用於臨床藥敏試驗的手段。
 
3.2 技術在國內外醫療體系中的發展現狀
現階段國內外已有多家醫療單位將病人自體腫瘤細胞的體外藥敏分析作為常規診療服務專案。如日本早在2008年就由中央社會保險醫療協會發佈了《對現有醫療保險引入的先進醫療技術》,將病人自體腫瘤細胞的體外抗癌藥敏感性試驗(主要是CD-DST 方法)列入“被評定為適合優先引進醫療保險的現今醫療”。這一協會在另一份檔《根據新聯合實施的先進醫療專家會議的第二項先進醫療科學評價結果》中,將CD-DST 法的抗惡性腫瘤藥敏實驗總評結果設為“適用”。適應症包括胃腸癌(除治癒級別C 的胃癌)、頭頸部癌、乳腺癌、肺癌、乳腹膜炎、子宮頸癌、子宮內膜癌或卵巢癌。國內方面,上海也早在2008 年就為癌症患者提供基於先進腫瘤藥敏檢測的個體化化療方法。醫生可通過一張“腫瘤藥敏報告單”為病人制定更加合理的化療方案。江蘇省也已經將腫瘤細胞化療藥物敏感試驗(HDRA 檢測)納入“江蘇省基本醫療保險和工商保險診療服務專案、醫療服務設施範圍和支付標準”。南京鼓樓醫院腫瘤中心已經利用新鮮腫瘤組織3D培養藥敏檢測平臺(HDRA)來指導藥物選擇。天津市於2013 年頒佈的《天津市基本醫療保險和生育保險診療專案暨醫療服務設施標準》中,將人體腫瘤SKC 法藥敏測定納入醫保範圍(序號1254)。新疆省在最新公佈的醫療服務價格專案中也提及了人體腫瘤SKC 法藥敏測定專案。由中國國家衛生和計劃生育委員會最新發佈的腫瘤個體化治療檢測技術指南(試行)》更是對病人自體腫瘤細胞體外藥敏檢測中涉及的樣本採集、分析質控、結果報告、診斷標準等進行了一整套規範化要求,為腫瘤治療的精準化用藥提供了重要保證。
 
3.3 存在的問題
3.3.1 細胞來源稀缺降低藥敏檢測通量
癌症藥敏檢測需要大量的癌細胞來源,而在手術過程中,腫瘤細胞並不能滿足大量的藥敏檢測需要。同時,由於原代細胞分離技術的不完善,導致細胞獲取的機會大大降低,嚴重影響了癌症組織體外藥敏檢測模型的大面積推廣。
 
3.3.2 藥敏檢測技術的時效性
從應用角度講,藥敏檢測結果應在病人需要進行化療之前得出,以幫助病人指導用藥。但現有原代細胞培養的技術並不完善,導致研究人員很難在短時間內得到大量的樣本進行藥敏檢測。尤其對於一些病情惡化的患者,並沒有過多的時間來等待檢測結果。所以,如何能快速得到藥敏測試結果也將是研究人員需要考慮的問題之一。
 
3.3.3 檢測技術對體內的模擬程度
目前對於什麼手段能夠更好地模擬體內微環境仍然存在較大爭議。但是作為腫瘤細胞體外培養模型,將來的應用方向是指導病人的用藥與進行新藥的開發,因此檢驗體外腫瘤培養模型是否能夠準確有效地預測藥物對體內腫瘤的殺傷效果是本領域的核心問題。而目前在這方面的研究還很薄弱,主要受限於原代細胞的分離、培養技術手段不成熟、實驗週期長、體外體內藥效較難比較等原因。但如果要將體外腫瘤模型推向醫療應用,這一系列難題需要被一一攻克。
 
3.4 展望
3.4.1 病人自體腫瘤細胞快速擴增技術的發展
癌症藥敏檢測需要大量的癌細胞來源,而手術獲得的腫瘤細胞並不能滿足高通量藥敏檢測的需求。所以,高通量癌症藥敏檢測需要在體外對癌細胞進行快速擴增,以達到所需的細胞量。而來自于病人的原代細胞並不容易適應體外環境,細胞存活、擴增都存在較大問題。研究人員通過在原代腫瘤細胞中加入不能分裂的成纖維細胞,調節癌細胞生長的微環境,使其擁有與體內更高的相似性,以期待最終癌細胞可以在體外存活並快速擴增。Liu 等[14] 通過對原代腫瘤細胞與無分裂能力的成纖維細胞共培養,並添加ROCK 抑制因數的方式,來促進癌細胞以較快的速度生長,從而在短時間內擴增大量癌細胞。基於這種癌細胞快速擴增技術,Crystal 等[15] 開發出了能夠快速確定當腫瘤產生單一藥物抗藥性後所應採用的聯合用藥方案。通過快速擴增技術得到大量病人源性腫瘤細胞的應用實例,見圖3[15]。相較於通過單純遺傳分析的手段來尋找新的藥物靶點,直接進行細胞毒性檢測得到的結果更為直接,同時有助於發現新的有效藥物。



3.4.2 體外3D腫瘤組織類器官藥物篩選模型的優化
由於3D 細胞培養規範化的模式尚未建立,因此需要優化現有系統以產生穩定可重複的檢測結果。例如,通過引入細胞外基質材料來模擬體內環境可能會由於基質材料批次間的差異造成結果不穩定。因此實驗前要注意檢測其所含成分的差異。3D 細胞培養所類比的狀態通常歷時較短,然而在體內腫瘤的生成是長時間進程。驗證體內腫瘤和體外模型的形成時間差異是否會對結果造成影響也是一個很關鍵的問題。在3D 細胞培養中,細胞密度大,對營養的需求也會更高,但在3D 培養條件中,這一需求並不能完全得到滿足。和傳統的2D 平面培養細胞相比,單個細胞氧氣和營養供應匱乏,影響細胞培養狀態,可能致使實驗重複性不佳,降低了3D 模型的穩定性。3D 體外模型缺乏複雜的脈管系統,而體內這些脈管系統通過簡單擴散可以為組織提供氧、營養,並清除廢物。所以在一個3D 腫瘤組織體外模型進行表徵時,也應當對系統內營養物質和廢物的擴散能力進行表徵。
 
3.4.3 在國內醫療體系中的發展趨勢
隨著對惡性腫瘤認識的不斷深入,人們已經迫切的感受到精準醫療對於腫瘤診治的重要性。儘管基於基因篩查的腫瘤精準醫療技術突飛猛進並受到世界範圍內的廣泛關注,但基於病人自體腫瘤細胞的藥敏篩查技術仍處於發展階段,受到的重視程度依然不足。然而,現階段制約自體腫瘤藥敏篩查的幾個主要因素,如原代細胞稀缺、檢測週期相對較長、體外模擬程度較低等問題均已取得重大突破。特別是體外3D培養腫瘤微組織模型的飛速發展更是極大的促進了藥敏檢測的準確性和有效性。我們有理由相信,在不久的將來,體外3D培養腫瘤微組織能夠與基因篩查互為驗證和補充,共同實現精準醫療的目標。
 
致謝
本實驗室的研究工作受到了國家自然科學基金(81171474、51273106、51461165302)和北京市自然科學基金(157142090)的支持。
 
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