微泡辅助吉西他滨递送联合重复超声暴露在胰腺癌芯片模型中的效应研究

《Scientific Reports》：Effect of microbubble-assisted gemcitabine delivery with repeated ultrasound exposure in a pancreatic cancer organ-on-a-chip model

本研究针对胰腺导管腺癌(PDAC)纤维化间质阻碍药物递送的难题，开发了一种模拟肿瘤力学特性的微流控器官芯片模型。研究人员通过21天培养构建了具有刚性胶原基质的PDAC模型，首次在该模型中验证了重复超声暴露下微泡振荡破裂可有效破坏基质屏障，使吉西他滨疗效提升48%。这项研究为克服PDAC药物抵抗提供了新的靶向递送策略，凸显了疾病特异性模型在药物评估中的重要性。

　　

胰腺癌被称为"癌王"，其中胰腺导管腺癌(PDAC)占所有胰腺癌的90%以上，患者五年生存率不足10%。这种恶性肿瘤具有独特的"堡垒"特性——癌细胞与周围基质细胞相互作用形成致密的纤维化屏障，就像给肿瘤穿上了一层铠甲。这种由胶原蛋白为主的细胞外基质(ECM)构成的物理屏障，不仅导致组织僵硬，更会形成高压环境，阻碍药物通过间质流动渗透到癌细胞区域。吉西他滨作为PDAC一线化疗药物，在临床应用中往往因这种屏障效应而疗效受限。

面对这一挑战，英国利兹大学和赫瑞瓦特大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了一种创新的药物递送方式——微泡超声联合治疗。微泡是临床常用的超声造影剂，在超声波作用下会产生振荡和破裂，产生的空化效应能够暂时增加细胞膜通透性（声孔效应），同时破坏周围的基质结构。团队前期已成功开发出能够模拟PDAC肿瘤力学特性的微流控芯片模型，该模型通过21天培养胰腺癌细胞与星状细胞(PSCs)的共培养体系，再现了体内肿瘤的刚性微环境和受限的间质流动。

研究人员采用五通道微流控装置，在1×6毫米的培养室内构建PDAC模型，两侧设置凝胶通道维持长期培养稳定性。通过定量ATP活性评估发现，21天培养的模型对31.25μM吉西他滨的敏感性显著低于7天培养模型（存活率62% vs 9.8%），证实了基质屏障导致的药物抵抗。实验使用自制的DPPC-DSPE-PEG₂₀₀₀-ATTO 488微泡（平均直径1.2±0.65μm），通过2.25MHz超声波（机械指数0.6）处理，采用单次（5秒）和重复（每5分钟一次，持续30分钟）两种暴露方案。

关键技术创新点包括：微流控芯片的PDMS厚度优化至1mm以减少超声衰减；通过荧光标记微泡实时监测其在基质中的分布；利用氢静态储液器模拟生理性间质流动。这些设计确保了实验条件更贴近体内环境。

微泡超声暴露对微流控PDAC培养的影响

研究发现单次超声暴露可使微泡在PDAC模型中的荧光信号覆盖率从1.1%提升至19.6%，表明微泡破裂有效破坏了基质结构。然而单次处理并未显著增强吉西他滨疗效（吉西他滨单药与联合治疗存活率分别为52%和53%）。

吉西他滨、微泡和重复超声暴露的协同效应

重复暴露方案展现出显著优势：30分钟内6次超声处理使荧光信号覆盖率持续上升至40%，证明基质破坏程度随时间累积。更重要的是，吉西他滨+微泡+重复超声三联方案使PDAC细胞存活率降低48%，较单次暴露方案（39%）提升9个百分点。这种效应源于持续的空化作用对胶原网络的物理破坏，恢复了间质流动通道。

研究结论强调，PDAC的纤维化间质不仅是物理屏障，更是治疗抵抗的关键因素。微泡超声联合治疗通过靶向破坏基质结构，为改善药物递送提供了新思路。该成果发表于《Scientific Reports》的重要意义在于：首次在力学成熟的PDAC芯片模型中验证重复超声方案的优越性；建立了临床前评估靶向递送平台的技术标准；为个体化治疗策略开发提供了新范式。

未来研究方向包括优化超声参数以实现最大化基质破坏，以及通过免疫染色验证胶原网络的变化程度。这项研究不仅推进了PDAC治疗策略，更展示了器官芯片技术在模拟肿瘤微环境力学特性方面的独特价值，为抗癌药物研发提供了新的技术路径。