可渗透水凝胶封装骨肉瘤芯片：微流控电喷雾制备核心-壳微载体实现高通量药物筛选

本研究创新性开发了基于微流控电喷雾技术的骨肉瘤芯片平台（OS-on-a-chip），通过精确制备尺寸均一的核心-壳微载体（CSMs）封装骨肉瘤（OS）细胞，实现三维（3D）肿瘤球体的高效形成。该芯片集成浓度梯度发生器，可同步筛选单药及多药组合（如DOX/CDDP/IFO），克服传统二维（2D）培养与动物模型的局限性，显著提升药物筛选通量与临床预测价值，为骨肉瘤个体化治疗提供新工具。

　　

文章内容归纳

1 引言

骨肉瘤（Osteosarcoma, OS）是常见于青少年的恶性骨肿瘤，具有高侵袭性、易转移和化疗耐药特点，临床治疗面临严峻挑战。传统二维细胞培养（2D）和动物模型因无法模拟肿瘤微环境动态交互及物种差异，制约药物疗效评估的准确性。本研究提出基于微流控与水凝胶封装的骨肉瘤芯片平台，通过构建三维（3D）肿瘤球体结合微流控浓度梯度技术，实现高通量、高仿生药物筛选。

2 方法

2.1 材料

使用海藻酸钠（ALG）、羧甲基纤维素（CMC）、CaCl₂等制备微载体，人骨肉瘤细胞（hOS）培养于含10%胎牛血清的MEM培养基。

2.2 核心-壳微载体（CSMs）制备

采用嵌套式微流控芯片（内管200μm，外管500μm），施加电场使1.5% ALG（外相）包裹1% CMC-细胞悬液（内相），于2% CaCl₂中交联形成均一CSMs（图2A）。通过调控内外相流速（支持信息图S1）优化尺寸（核心直径~150μm，总直径~300μm）。

2.3 力学表征

不同浓度ALG水凝胶的应力测试显示：1.5% ALG在力学强度与生物相容性间达最佳平衡（图2B-C），SEM证实其核心-壳分层结构（图2D）。

2.4 3D肿瘤球体培养

CSMs内hOS细胞培养9天形成球体（直径>200μm），活死染色显示存活率>90%（图3B-D），CCK-8检测证实活性持续提升（图3E）。电压处理（0~8kV）未影响细胞活性（支持信息图S3）。

2.5 微流控芯片设计

芯片集成浓度梯度发生器与8个培养腔室（图4），通过双入口分别注入药物与培养基，生成8组浓度梯度（图4A），动态培养下球体维持高活性及细胞骨架完整性（图5D-F）。

2.6 药物评估

单药筛选（多柔比星DOX、顺铂CDDP、异环磷酰胺IFO）显示剂量依赖性杀伤（图6A-D）：DOX处理24小时后，高浓度通道（通道8）细胞存活率降至40%（图6C）。联合用药（如DOX+CDDP）验证平台可量化协同效应（图6E），CDDP主导杀伤但联用可降低毒性剂量（支持信息图S8）。

3 结果与讨论

3.1 CSMs的生物学优势

CSMs提供仿生3D微环境，促进细胞间相互作用及肿瘤异质性表达（图3A），球体尺寸均一性（RSD<10%）保障筛选可重复性（图3E）。

3.2 芯片平台效能

浓度梯度发生器实现单次实验8组药物浓度同步测试（图6A），动态灌注系统维持营养/药物扩散，模拟体内递送过程（图5B-C）。SEM揭示球体在CSMs内空间分布（图5G-J），支持信息图S5进一步验证球体-载体空间关系。

3.3 临床转化意义

相较于动物模型，该平台显著缩短筛选周期，降低物种差异影响。多药组合筛选（如DOX/CDDP）证明其优化临床给药策略的潜力（图6E）。

4 结论

微流控电喷雾技术成功制备封装OS细胞的均一CSMs，结合集成化芯片实现高通量药物筛选。平台在单药及多药联用评价中展现剂量/时间依赖性响应，为骨肉瘤精准治疗提供高效工具。未来需拓展至患者来源模型及更多药物类别验证。

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核心图表对应关系

• 图2：CSMs制备与表征（尺寸/力学）

• 图3：3D球体生长与活性

• 图4：芯片浓度梯度原理

• 图5：芯片内球体动态培养

• 图6：单药/联用药效量化