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微流控芯片單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)用于乳腺癌干細(xì)胞特異性藥物篩選

微流控科技 ? 來(lái)源:YXQ ? 2019-06-20 15:50 ? 次閱讀

大量研究結(jié)果提示,腫瘤干細(xì)胞(cancer stem cells,CSCs)是腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移的決定因素,也是導(dǎo)致治療失敗的主要原因。傳統(tǒng)腫瘤治療手段如放療和化療,并不能徹底清除腫瘤干細(xì)胞而且會(huì)對(duì)正常組織造成損害。鑒于上述事實(shí),針對(duì)腫瘤干細(xì)胞的靶向清除方法已成為近期腫瘤治療的一種新策略。腫瘤干細(xì)胞特異性藥物篩選對(duì)于腫瘤干細(xì)胞靶向治療具有重要價(jià)值。然而,腫瘤干細(xì)胞含量稀少且分離后干性難以維持,這對(duì)于基于腫瘤干細(xì)胞的藥物篩選帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。針對(duì)該問(wèn)題,華南理工大學(xué)附屬?gòu)V州市第一人民醫(yī)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)研究室暨廣東省微流控芯片醫(yī)學(xué)診斷工程技術(shù)研究中心報(bào)導(dǎo)了一種基于微流控芯片的單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)。相關(guān)研究論文被《Small》雜志接收,將發(fā)表于該雜志2019年度的微流控特刊。課題組博士研究生林冬果和碩士研究生李佩文為論文并列第一作者,劉大漁研究員為該論文通訊作者。

研究利用腫瘤干細(xì)胞單細(xì)胞克隆形成特性,發(fā)展基于微流控芯片的單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)用于乳腺癌干細(xì)胞靶向藥物篩選。實(shí)驗(yàn)原理是在添加生長(zhǎng)因子條件下腫瘤干細(xì)胞可以單細(xì)胞存活并形成克隆,而其它腫瘤細(xì)胞則會(huì)失巢凋亡,依此實(shí)現(xiàn)腫瘤干細(xì)胞分選。這種單細(xì)胞克隆形成可以被腫瘤干細(xì)胞特異性藥物所抑制,因此這種單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)可以作為篩選腫瘤干細(xì)胞特異性藥物的工具。

研究設(shè)計(jì)并加工了一種具有3840單細(xì)胞捕獲微池陣列的微流控芯片。微流控芯片上的單細(xì)胞捕獲采用尺寸限制策略:芯片的旁路通道寬度30微米,高度10微米,因而只允許液體流過(guò)而細(xì)胞在此被截獲。截獲了細(xì)胞的旁路通道由于阻力增加,后續(xù)細(xì)胞不再流入。因此在細(xì)胞懸液連續(xù)灌注過(guò)程中單個(gè)細(xì)胞被依次捕獲于旁路通道形成高密度單細(xì)胞陣列。

實(shí)驗(yàn)選用MCF-7、MDA-MB-231及T47D三種乳腺癌細(xì)胞系,在微流控芯片上完成了單細(xì)胞陣列構(gòu)建、連續(xù)(14天)細(xì)胞培養(yǎng)、原位熒光呈像分析以及細(xì)胞藥物作用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別使用紫杉醇、阿霉素、硫鏈絲菌素和鹽霉素作用于芯片單細(xì)胞陣列,根據(jù)單細(xì)胞克隆形成實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)藥物對(duì)腫瘤干細(xì)胞的選擇性殺傷作用。

在優(yōu)化的條件下,芯片單細(xì)胞捕獲效率達(dá)54.2%,相應(yīng)的單次測(cè)試單個(gè)腫瘤細(xì)胞數(shù)量超過(guò)2000。捕獲前后細(xì)胞直徑分布檢測(cè)結(jié)果提示,芯片單細(xì)胞捕獲沒(méi)有尺寸選擇性。單細(xì)胞陣列中只有少量細(xì)胞可以在長(zhǎng)期培養(yǎng)中存活并形成克隆,各種乳腺癌細(xì)胞的克隆形成率分別為:MDA-MB-231,5.78%;MCF-7,1.67%;T47D,5.24%。

藥物測(cè)試結(jié)果顯示,在對(duì)應(yīng)IC50的藥物濃度作用下, 硫鏈絲菌素對(duì)于MDA-MB-231, MCF-7, T47D三種細(xì)胞中的腫瘤干細(xì)胞清除率分別為100%, 97.60%, 和 99.62%, 而鹽霉素的腫瘤干細(xì)胞清除率分別為100%, 100% 和 97.07%。圖4可見(jiàn),腫瘤干細(xì)胞特異性藥物硫鏈絲菌素和鹽霉素的單細(xì)胞克隆形成抑制率顯著高于傳統(tǒng)抗腫瘤藥物。此外,腫瘤干細(xì)胞特異性藥物可以在非常低的濃度下發(fā)揮抗腫瘤作用,對(duì)于正常組織幾乎沒(méi)有傷害。有趣的是,腫瘤干細(xì)胞特異性藥物對(duì)于不同類型細(xì)胞顯示出了明顯的差別,這提示不同個(gè)體腫瘤中的干細(xì)胞信號(hào)通路不盡相同,相對(duì)應(yīng)的特異性藥物也會(huì)有所差別。

綜上所述,本研究發(fā)展了一種基于微流控芯片單細(xì)胞克隆形成實(shí)驗(yàn)的乳腺癌干細(xì)胞靶向藥物篩選方法。這種芯片方法能夠高效構(gòu)建單細(xì)胞陣列并以集成化的方式完成整個(gè)分析過(guò)程。研究確認(rèn)了微流控芯片單細(xì)胞克隆形成實(shí)驗(yàn)的乳腺癌干細(xì)胞靶向藥物篩選能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,腫瘤干細(xì)胞靶向藥物可以完全地抑制單細(xì)胞克隆形成,而非靶向藥物的抑制效應(yīng)則是部分的。這種微流控芯片單細(xì)胞分析技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、分析高效的優(yōu)勢(shì),因而是腫瘤干細(xì)胞靶向藥物篩選的有利工具。

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原文標(biāo)題:微流控芯片單細(xì)胞克隆形成抑制實(shí)驗(yàn)用于乳腺癌干細(xì)胞特異性藥物篩選

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