随着药物研发相关技术进步，越来越多的体外平台被开发出来。一个合格的药物发现和开发的体外平台应该能在短时间内预测人体器官、组织对治疗的反应，提供可靠并具有人体相关性的结果。然而，目前市场上可用的平台大都具有局限性，例如吞吐量低、成本高，更重要的是无法重现药物的生理暴露。因此，需要改进这些平台并开发能够模拟药物体内药代动力学（PK）特征的优良预测系统。
器官芯片技术结合了微流体和三维（3D）细胞室。开发此类系统的主要目的是保持细胞模型的生物复杂性（主要是 3D 结构，包括微环境或血管化），并将其与模拟药物评估的能力相结合，类似于动物模型。对于人类癌症的病理生理学研究，大多数现有模型致力于探索肿瘤进展、侵袭、转移或血管生成，然而，它们越复杂，通量就越低，也越具有挑战性。因此，设计出一个既能以较高通量模拟药物 PK 曲线和治疗计划，又能评估肿瘤球体对复杂微环境的药物反应的微流体平台至关重要。
2021 年 8月 24 日，阿斯利康的研究团队在 Communications Biology 杂志上发表了题为《用于评估药物药代动力学和治疗反应的片上肿瘤微流体平台》一文。该研究设计了一种新型的片上肿瘤微流体系统，可模拟化合物在 3D 肿瘤球体上的药代动力学特征，以评估它们对治疗的反应。研究人员使用该平台来测试 SW620 结肠直肠癌球体对单独 SN38（DNA 拓扑异构酶 I 抑制剂伊立替康的活性代谢物）和与 AZD0156（共济失调毛细血管扩张突变蛋白激酶 ATM 抑制剂）组合的反应。结果表明，该微流控片上肿瘤平台可以成功预测体内研究的药效学评估，指导药物剂量和时间表以获得较好的疗效。
该研究设计的微流体平台如下图所示，以浓度和时间依赖性方式将化合物输送到基质胶包裹的球体上，模拟体内发生的药代动力学分析。基质微球被认为可用做评估药物反应的体外工具，因为基质微球网络提供了一种结构支持，并且允许营养素、生长因子和小分子（药物、抗体、荧光团等）渗透。该微流控平台使用 SW620 球体，在 96 孔超低粘附板中生长，然后转移到单通道微流控芯片上的基质胶悬滴中。在基质胶封装后，将球体置于 20 µL/min 的恒定流量中，每个流动路径将 SN38 或 SN38 + AZD0156 输送到芯片中以模拟体内 PK 曲线，并使用各种治疗方案（单药治疗、间歇/连续组合治疗）。每种治疗条件使用双链芯片，一个用于生存力终点测定，另一个用于免疫荧光法药效生物标志物评估。通过在特定时间点去除芯片底部聚合物膜来进行球体回收。
图1. 微流体平台设计。
SN38 是一种 DNA 拓扑异构酶 I 抑制剂，可通过与 DNA 拓扑异构酶 I -DNA 复合物结合来防止 DNA 链松弛导致 DNA 双链断裂（DSB）。DNA DSB 损伤会触发 ATM 激酶的激活以进行有效修复。抑制 ATM 可导致随后积累的未修复断裂，致使细胞死亡增加，为开发癌症治疗组合提供了理论基础。AZD0156 是一种有效的选择性 ATM 激酶抑制剂，当与 DNA DSB 诱导剂结合使用时，显示对肿瘤模型具有强大的疗效。
使用 LC MS，在 96 h 内每小时采集并测量小鼠的 SN38 和 AZD0156 血药浓度。体外实验使用了从小鼠 24 h 血药浓度转化而来的八个浓度点。用于体外微流体设置的特定时间内的每个浓度代表来自观察和建模的体内 PK 数据的相应时间间隔的平均值。随着时间的推移，应用于静态设置的药物 PK 曲线与小鼠体内情况非常不同（图2a）。表明在静态条件下的实验无法有效地模拟球体的 PK 曲线。
图2. SN38 和 AZD0156 在静态板形式与微流控芯片的暴露情况以及不同暴露对肿瘤细胞反应的影响。
探索使用 SN38 和 AZD0156 组合处理 6 d 后肿瘤球体大小和活力的差异。在微流控芯片中，SW620 球体大小显著减小，表明 AZD0156 对单独 SN38 具有增强活性的作用（图2c）。此外，相同的实验设置下，在 6 d 时探索了静态和微流体设置中 SW620 球体的活力（图2d）。结果显示，与静态设置中存活率降低 2.2 倍相比，微流体设置中的 SN38 + AZD0156 组合将存活率降低了 1.4 倍（图2d），表明静态暴露于较高浓度的药物可能会夸大治疗效果。该实验表明，与静态暴露条件相比，在更类似生理的环境下，3D 肿瘤细胞暴露于药物会产生不同的反应，接下来还需进一步探索这种新的体外系统是否确实能更好地预测体内实验。
接下来，研究人员评估了 SW620 球体在微流体设置中对各种不同治疗方案的反应。球体在第 1 天和第 7 天成像（图3a），并在第 7 天测量其体积。通过将处理后的球体体积除以未处理球体的平均体积（n = 7）得出的的百分比来评估第 7 天的治疗效果（图3b）。结果显示，SN38 单药治疗导致平均体积缩小至对照组的 55%。SN38（第 1 天给药）和 AZD0156（第 1 – 7 天给药）同时联合治疗更有效，使球体体积减少到对照的 17%。与 AZD0156 连续 7 天治疗相比，SN38（第 1 天给药）加 AZD0156（仅第 1 天给药）导致疗效小幅下降，1 天给药组的平均相对球体体积为 22%，7 天给药组为 17%。证明在 SN38 和 AZD0156 治疗之间引入剂量差距对疗效有更显著的影响，为各种治疗方案的不同影响提供了额外的证据。
图 3. SN38 和 AZD0156 在微流体芯片中以各种时间、剂量应用之后，SW620 肿瘤球体在第 7 天的反应。
为了评估微流体平台的转化潜力，设计了一项使用 SW620 异种移植物的体内实验，以评估对伊立替康（50 mg/kg）及其与 AZD0156 （10 mg/kg） 组合的疗效反应。测试了不同的给药方案，之前在芯片上的 SW620 球体中评估（图 5a），使用之前在小鼠血浆中观察到的相匹配的暴露曲线（图 2b）。结果显示，在第 7 天，观察到治疗组之间的肿瘤大小没有显著差异，均达到对照组大小的 80% 左右。然而，在第 15 天，伊立替康与 AZD0156 的24 h 间隔联合治疗（对照体积的 39%）比伊立替康单药治疗（对照体积的 54%）或72 h间隔联合治疗（对照体积的 59%）更有效。在第 35 天，肿瘤生长曲线出现了更明显的分离，使用 24 h 间隔方案的联合治疗提供了较好的反应，然后是使用 72 h 间隔的联合治疗，这仍然比伊立替康单药治疗更有效（图5b）。
图5. 微流控芯片与小鼠体内研究中，SW620 肿瘤细胞对不同治疗方案的反应。
该研究的核心内容是设计了一个泵驱动的微流体平台，能够在体外肿瘤球体上模拟体内抗癌药物 PK 谱，还证明了这种新平台在预测药物 PK、PD 和疗效方面的实用性。在这项研究中，已经能够通过将微流体设置与适配的单通道芯片相结合来显著改进现有系统，从而允许在特定时间内灵活地提供特定药物或药物组合，对应生理相关的 PK 曲线。每个芯片至多可以处理封装在基质胶液滴中的八个肿瘤球体，这意味着该系统能够同时处理与生物复杂性相关的多个变量，同时为流动下的 3D 培养提供机械稳定性。该平台的进一步开发可允许额外的步骤自动化和增加流动路径的数量。此外，使用适用于各种入口/出口类型的简单流量适配器，该微流控平台可以轻松适应不同的微流控芯片。例如，在当前设置中链接肿瘤芯片和正常组织芯片，有望能够同时评估组合功效和毒性，以推进肿瘤药物的开发。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-021-02526-y
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