利用自动微流控系统和化学发光检测技术，无损地量化PDOs（多肽衍生物）在整个过程中的生长情况及其对药物的反应

《Advanced Science》：Non-Destructively Quantifying the Whole-Course Growth and Drug-Response of PDOs by an Automatic Microfluidic System Utilizing Chemiluminescence Detection

患者来源类器官（PDOs）生长及药物响应的非破坏性连续监测系统开发与验证。通过集成微流控芯片（CLOS-Sen）与自动化系统（ASMO），实现了从细胞聚集到组织结构形成的全过程形态学观察，并创新性地采用CEA分泌水平动态分析药物敏感性。实验证实，系统可准确捕捉72小时内药物浓度梯度变化与CEA释放的时空关联，与临床疗效高度吻合。该技术突破传统单点检测局限，为个性化肿瘤治疗提供动态生物标志物监测新范式。

　　患者来源的类器官（Patient-Derived Organoids, PDOs）已成为精准医学研究中的重要工具。这些三维体外模型能够高度再现原发肿瘤的关键组织病理学、遗传学和表型特征，因此在疾病建模和药物敏感性测试中具有广泛的应用前景。然而，传统的成像技术虽然能够提供类器官的形态学信息，却难以揭示其在分子层面的变化，这限制了对类器官动态行为的深入理解。为了解决这一问题，研究者提出了一种基于微流控芯片的非破坏性方法，以实现对类器官生长全过程和药物反应的持续监测。这种方法通过检测类器官分泌的生物标志物，为研究提供了实时的生理数据，从而更准确地评估类器官的生长趋势和药物反应模式。

为了验证该方法的可行性，研究选择了广谱的生物标志物——癌胚抗原（Carcinoembryonic Antigen, CEA），用于监测类器官在六天内的生长情况以及在72小时内的药物反应。这种连续监测技术不仅能够捕捉到类器官在不同时间点的动态变化，还能避免传统检测方法中因样本转移导致的生物标志物损失，从而保证检测结果的准确性。此外，通过在微流控芯片上集成多种功能模块，如培养、药物处理和生物标志物检测，该系统实现了对类器官状态的高分辨率、非侵入式监测。这种设计使得研究人员能够在不干扰类器官自然生长的情况下，获得关于其代谢产物和分泌蛋白的长期数据，为个体化治疗提供了新的思路。

在研究过程中，研究人员还开发了一种自动化系统——全周期类器官监测系统（Automated System for Whole-Course Monitoring of Organoids, ASMO），以提高检测效率并减少人为误差。ASMO系统的核心是CLOS-Sen芯片，该芯片集成了多个功能区域，包括培养区、药物处理区和生物传感器区。这些区域通过微流控通道相互连接，以实现样本的高效流动和生物标志物的精准检测。同时，为了防止不同时间点采样之间的交叉污染，系统采用了时间分隔的检测室设计。此外，自动化灌注技术被引入以维持类器官的营养供给，同时确保生物传感器的正常运作。整个系统的设计目标是实现对类器官生长和药物反应的连续、实时监测，从而为患者预后评估提供更全面的依据。

CLOS-Sen芯片的结构设计尤为关键。其由四层组成：阀门层、肿瘤/检测层、膜层和培养/药物层。其中，PDMS（聚二甲基硅氧烷）因其良好的生物相容性、疏水性、透明性和透气性，被广泛用于芯片的制造。为了提高检测的灵敏度和减少外界干扰，研究人员在芯片中引入了微孔结构，使得营养物质和分泌物能够自由交换，而不会造成环境扰动。此外，为了实现对低丰度生物标志物的检测，芯片的微流控通道设计允许在不破坏类器官的情况下，持续采集样本并进行分析。这一设计不仅提升了检测的准确性，还大幅降低了实验成本和操作复杂度。

在实际应用中，研究人员通过ASMO系统对六名患者的类器官进行了连续监测。结果显示，CEA的分泌水平与类器官的生长速率密切相关。例如，来自患者1、2、4和5的类器官表现出较高的CEA积累率，表明其具有更强的增殖能力。而患者3和6的类器官则表现出较低的CEA分泌水平，说明其生长状态相对稳定。这些发现不仅验证了CEA作为类器官生长状态指标的可行性，还为评估药物疗效提供了新的视角。通过比较不同药物浓度下的CEA分泌模式，研究人员发现高浓度药物会迅速诱导CEA释放，而低浓度药物则可能导致CEA释放的延迟和波动。这种动态变化与类器官的细胞死亡过程密切相关，因此，通过监测CEA的浓度变化，可以间接评估药物对类器官的影响。

在药物反应的监测中，研究者还结合了传统的ATP检测方法和现代的荧光成像技术，以获得更全面的评估结果。例如，在72小时的药物处理过程中，通过观察细胞活性的变化，研究人员能够判断药物是否对类器官产生了有效的抑制作用。结果显示，某些药物（如Osimertinib）在特定浓度下能够显著降低CEA水平，这与临床观察结果一致。而对于一些具有多药耐药性的类器官，如来自患者7的类器官，通过监测CEA的动态变化，研究人员能够更准确地判断药物的疗效，并为临床治疗方案的选择提供依据。

此外，该研究还展示了ASMO系统在多种癌症类型中的潜在应用。尽管CEA在肺癌中被广泛研究，但在其他类型的癌症（如结直肠癌、胃癌、胰腺癌和乳腺癌）中，CEA的表达也具有一定的临床意义。因此，ASMO系统不仅可以用于肺癌的类器官研究，还可以推广至其他癌症类型的生物标志物监测。对于缺乏CEA分泌的肿瘤类型，该系统仍然具有广泛的适用性，因为它基于微流控技术，能够灵活地检测其他已知的生物标志物或替代指标。这种多功能性和可扩展性使得ASMO系统成为未来精准医学研究的重要工具。

在实验设计方面，研究人员采用了多种方法来确保检测的准确性和可靠性。例如，在生物传感器的构建过程中，通过优化抗体浓度和检测时间，研究人员能够获得高灵敏度和低检测限的实验结果。同时，为了验证系统的稳定性，研究者进行了重复性实验，并通过统计分析（如单因素方差分析和Fisher's LSD方法）评估不同条件下的检测差异。这些实验不仅验证了ASMO系统的技术优势，还为其在临床环境中的应用提供了坚实的科学依据。

本研究的创新点在于其首次实现了对类器官的非破坏性全周期监测。通过将生物传感器集成到微流控芯片中，研究人员能够在不破坏类器官的情况下，实时采集其分泌物的动态变化数据。这种技术不仅提高了检测的效率，还减少了样本的使用量，降低了实验成本。同时，由于微流控系统的高度集成性，研究人员能够在一个平台上完成培养、药物处理和生物标志物检测，从而减少了实验操作的复杂性。此外，该系统还能够通过时间分隔的检测室设计，避免不同时间点采样之间的干扰，提高检测的准确性。

在临床应用方面，该系统展示了其在个性化医疗中的巨大潜力。通过实时监测类器官的CEA分泌水平，研究人员能够预测药物对患者肿瘤的治疗效果，并为医生提供更精确的治疗建议。例如，在对患者7的药物测试中，通过ASMO系统发现Sacituzumab tirumotecan在抑制肿瘤生长方面优于其他药物，这一结果与患者的临床表现一致。同样，在对患者8和9的测试中，研究人员发现Osimertinib和Sacituzumab tirumotecan在不同阶段均表现出良好的治疗效果，为临床治疗方案的选择提供了重要参考。

除了CEA，研究人员还探讨了其他生物标志物在类器官监测中的应用潜力。例如，通过结合不同的检测方法，如电化学、化学发光和荧光成像，研究人员能够对多种生物标志物进行多维度的分析。这种综合性的检测策略不仅提高了对类器官状态的理解，还为未来开发更复杂的多标志物监测系统奠定了基础。此外，研究者还提到，通过引入纳米材料或金属材料，可以进一步优化生物传感器的性能，从而提高检测的灵敏度和范围。

总的来说，本研究为类器官的长期培养、药物测试和生物标志物监测提供了一种全新的解决方案。通过将微流控技术与生物传感器相结合，研究人员成功开发了一种非破坏性、高分辨率的监测系统，能够实时、连续地追踪类器官的生理状态。这一技术的突破不仅提升了类器官研究的科学价值，还为精准医学的发展提供了重要的技术支持。未来，随着技术的进一步优化和应用范围的扩大，ASMO系统有望成为个性化治疗和药物研发的重要工具。