双效双模式芯片癌症研究平台：从基础到临床的血管化肿瘤类器官实时检测系统

《Cancer Letters》：A novel dual-effect bimodal chip cancer research platform: Chips system interconnected vascularized tumor organoids culture with real-time exploration and detection from bench to bedside

本文推荐一种新型双效双模式芯片癌症研究平台，该平台通过微流控技术将血管化肿瘤类器官(VOoC)培养与实时ELISA检测模块无缝集成，解决了传统肿瘤模型缺乏血管微环境及实时监测能力的难题。研究证实该系统可动态评估宫颈癌类器官对顺铂和贝伐珠单抗的药物反应，为个性化医疗和POCT提供了创新工具。

癌症研究领域正面临着一个关键挑战：如何在实验室中重建真实的人类肿瘤环境，并实时观察肿瘤的动态变化？传统的研究模型，如二维细胞培养或动物模型，往往无法完全模拟人体内肿瘤的复杂结构。特别是肿瘤与血管之间的相互作用——即肿瘤微环境(Tumor Microenvironment, TME)，对于营养输送、药物反应和癌症转移至关重要，但在常规模型中难以重现。近年来，肿瘤类器官(Organoids)技术脱颖而出，它能在体外培养出保留患者肿瘤特性的三维模型，为个性化药物筛选带来了希望。然而，这类模型通常缺乏一个关键组成部分——功能性的血管网络。没有血管，类器官就无法模拟真实的肿瘤生长环境，也无法研究肿瘤如何诱导血管生成（即肿瘤血管生成，tumor angiogenesis），这严重限制了其在药物疗效评估中的应用。为了突破这一瓶颈，科学家们开发了器官芯片(Organ-on-a-Chip, OoC)技术。通过微流控(Microfluidics)技术，研究人员可以在芯片上共培养肿瘤细胞和内皮细胞，从而形成血管化类器官芯片(Vascularized Organoids-on-a-Chip, VOoC)。这种模型能更好地模拟体内肿瘤的生理结构和功能。但随之而来的是第二个难题：如何在不干扰培养系统的情况下，实时、连续地监测这些复杂微环境中的细胞反应？传统的检测方法，如收集培养液进行离线的酶联免疫吸附测定(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)，存在时间延迟、需要大量样本、容易引入人为误差等缺点，无法实现真正的动态监测和即时诊断(Point-of-Care Testing, POCT)。

为了填补高级生物模型与实时诊断之间的空白，发表在《Cancer Letters》上的这项研究报道了一个全新的、完全集成的癌症研究平台。该团队首次将微流控技术应用于创建一个无缝耦合的双模块系统：一个用于培养血管化肿瘤类器官(VOoC)的模块，和一个用于实时ELISA检测的微流控诊断芯片。这个一体化平台使得在培养具有血管网络的真实肿瘤模型的同时，能够连续监测培养液中外泌的肿瘤标志物(Tumor Marker)成为可能。它将静态的、终点的测量转变为动态的、连续的诊断和治疗评估过程。研究人员利用此前成功建立的患者源性宫颈癌类器官的经验，以全球女性第四大常见癌症——宫颈癌为模型，展示了该平台的强大功能。他们建立了患者来源的宫颈癌VOoC，并利用集成的实时ELISA技术动态量化了治疗干预后肿瘤标志物的表达变化。这项研究旨在提供一个强大的“样本到答案”的工具，推动癌症研究向更预测性、更高保真度的方向发展，并为下一代个性化医疗(Personalized Medicine)铺平道路。简而言之，该平台将检测、诊断和治疗变成了一个连续的过程。

为开展此项研究，作者主要应用了以下几项关键技术：1）基于微流控的血管化肿瘤类器官芯片(VOoC)构建技术，用于在三维空间中共培养患者来源的宫颈癌类器官和内皮细胞，形成可灌注的自我成形血管网络；2）实时微流控ELISA检测芯片技术，该芯片预包被了ELISA试剂，用于连续、自动地定量分析从VOoC培养液中外泌的肿瘤标志物（如SCC-Ag）；3）患者源性肿瘤类器官培养技术，样本来源于经伦理批准的宫颈癌手术患者组织；4）药物干预实验，使用临床常用化疗药物顺铂(Cisplatin)和抗血管生成药物贝伐珠单抗(Bevacizumab)处理VOoC模型，以评估药物疗效。

Establishment of integrated dual-effect bimodal chip cancer research platform

研究团队成功开发了一个集成研究平台，该平台包含两个双功能微流控芯片：血管化类器官芯片(VOoC)模型用于三维细胞培养，实时检测芯片用于生化分析。这两个模块通过物理连接，允许培养基从VOoC自动、快速地转移到检测芯片模块。VOoC模块的设计使其能够形成一个贯穿肿瘤类器官的可灌注的自我成形血管网络，模拟体内的肿瘤血管生成过程。实时检测芯片则基于微流控ELISA原理，能够对培养液中的肿瘤标志物（如宫颈癌相关的鳞状细胞癌抗原，SCC-Ag）进行连续、定量检测。这种集成设计使得在构建复杂肿瘤模型的同时，实现对其分泌生物标志物的无中断、实时监控成为可能。

Discussion

讨论部分强调，本研究成功验证了一种新型的双功能微流控平台，该平台无缝集成了VOoC与实时ELISA诊断模块。该系统旨在解决癌症建模中的两个关键挑战：重现复杂肿瘤微环境(TME)的需求，以及对非破坏性、动态监测细胞反应的迫切需求。研究表明，基于芯片的血管化宫颈癌类器官模型能够模拟关键的体内特征，包括血管网络的形成和肿瘤标志物的分泌。通过结合实时ELISA检测，平台能够动态追踪药物（如顺铂和贝伐珠单抗）干预后生物标志物水平的变化，这在传统的离散系统中是无法实现的。这种集成方法不仅提高了肿瘤模型的生理相关性，也为药物筛选和疗效评估提供了更实时、更准确的数据支持。

Experimental design

实验设计部分通过示意图（图1）展示了整体分析方案。利用双功能微流控芯片，研究团队开发了一个集成了血管化类器官芯片模型和ELISA检测微流控模型的综合研究平台。

Human tissue collection and organoids culture

本研究经同济医院伦理委员会批准，收集计划进行宫颈癌手术患者的肿瘤组织样本。从这些患者源性组织中培养出宫颈癌类器官，作为后续芯片实验的基础。

Organoids immunofluorescence

对收集的类器官进行免疫荧光分析，使用了针对角蛋白13(KRT13)、增殖标志物Ki67、血管内皮标志物CD31等的特异性抗体，以鉴定类器官的细胞类型、增殖状态和血管网络结构。

研究结论与意义

综上所述，该研究团队开发的新型双效双模式芯片平台，通过将血管化肿瘤类器官培养与实时ELISA检测技术创新性地集成于一个封闭的微流控系统中，有效地克服了传统肿瘤研究模型在模拟肿瘤微环境和实现动态监测方面的局限。利用宫颈癌类器官模型，研究证实该平台能够实时、连续地评估化疗药物和靶向药物的疗效，动态反映肿瘤标志物的分泌变化。这一技术将复杂的体外肿瘤建模与高效的即时检测(POCT)能力相结合，为癌症基础研究提供了更高保真度的工具，同时在临床转化方面展现出巨大潜力，特别是在个性化药物筛选和快速诊断领域。该平台实现了从“样本”到“答案”的连续过程，标志着癌症研究向动态化、集成化和个性化迈出了重要一步，对推动个性化医疗和癌症研究具有深远意义。