微流控技术在胶质瘤研究的应用

来源：SCI期刊网 分类：医学论文 时间：2021-10-16 08:47 热度：

摘 要：【摘要】微流控技术是指在微米级结构中对流体进行精准控制的技术，具有低成本、高精度、高通量、自动化等优点，在应用于医学领域后被作为一种新的生物检测方法而受到广泛的关

　　【摘要】微流控技术是指在微米级结构中对流体进行精准控制的技术，具有低成本、高精度、高通量、自动化等优点，在应用于医学领域后被作为一种新的生物检测方法而受到广泛的关注。胶质瘤是常见的中枢神经系统肿瘤，其预后差、复发率高，这与其高度的侵袭性有关，且目前尚缺乏准确的早期诊断方法。微流控技术的应用为胶质瘤相关研究提供很多新的方案，为胶质瘤的诊疗提供新的思路。

　　【关键词】神经胶质瘤;微流控;细胞分离;分子诊断;体外培养

　　胶质瘤是临床最常见颅脑恶性肿瘤，约占全部颅内肿瘤40%~50%。根据世界卫生组织(WHO)分类方法，胶质瘤分为WHOⅠ~Ⅳ级，其中Ⅰ、Ⅱ级为低级别胶质瘤，Ⅲ、Ⅳ级为高级别胶质瘤[1]。由于目前胶质瘤缺乏能够早期诊断的方法，肿瘤浸润性生长及细胞微环境影响使手术与化疗药物的治疗效果不佳，导致胶质瘤，尤其是高级别胶质瘤病人愈后较差[2]。微流控技术(microfluidictechnologies)已广泛应用于细胞识别、核酸分子检测、药理学研究等多个方面[3]，这对胶质瘤早期诊断、精准治疗具有重要价值。本文针对微流控技术及其目前在胶质瘤相关研究的应用展开综述。

　　1微流控技术

　　微流控技术指的是能够在微米级别乃至更精细结构中，对流体进行精准控制的技术，是20世纪90年代兴起的一种生物检验工具，并在不断发展中逐渐渗透到各个领域，尤其在注重“精准医疗”(precisionmedicine)的医学领域，微流控技术以其低成本、高精度、高通量、自动化等优点，很快成为研究热点。作为微流控技术载体的微流体芯片，拥有体积小、集成度高等特点，可以兼容光学、电学等于一体，是交叉学科研究的良好应用平台。

　　肿瘤通过改变行为和迁移机制来适应环境和细胞外的刺激，而在其侵袭和转移过程中，存在着肿瘤微环境(tumormicroenvironment，TME)及细胞形态改变，针对这种复杂的微环境变化进行研究是当前研究肿瘤迁移机制的重点[4]。但这种过程并不是仅受单一因素变化影响，而是有物理、细胞因子刺激、拓扑结构等多因素参与，传统细胞研究方案无法提供可控制这些因素的环境[5]。微流控技术可在精确控制及量化平台上，提供各项肿瘤微环境刺激和条件，这为相关研究提供条件。

　　2微流控技术在胶质瘤研究中的应用

　　2.1循环肿瘤细胞的富集与分离检测循环肿瘤细胞(circulatingtumorcells，CTC)是指从原发肿瘤脱落到体液中并参与体内循环的肿瘤细胞，是肿瘤转移的重要途径[6]。从体液中分离这些细胞可作为一种微创、多时间点的液体活组织检查，对早期诊断与病情评估有重要意义[7]。尤其是脑胶质瘤，这类影像检查无法确诊、留取标本存在困难的颅内肿瘤，CTC检查可在最大程度上减少创伤并提供确诊依据。CTC在血液中浓度平均低于100/ml，且其分布极不均匀，很难以种群形式分离[8]。微流控技术则可通过肿瘤细胞与其他细胞在物理学或免疫学方面的差异进行分离，具有低成本、高通量、高精度的优点。

　　微流控技术分离CTC的方案可分为抗体依赖和非抗体依赖两种。非抗体依赖常用方法有过滤、声波分选、介电泳分选等，单纯依赖细胞间物理学方面的差异，成本较低，并且可通过改变剪切力、流速等变量调整分离效率，实现分离的高度可控性[9]。同时，能通过细胞在经过通道过程中的速度、形变等数据，评价细胞骨架刚性，反映肿瘤侵袭性。而抗体依赖则是通过肿瘤细胞特异的表面标志物，在通道内或磁珠表面附着相对应抗体，通过抗原-抗体结合对肿瘤细胞进行分离，具有更高精确度[10-11]。目前已有通过上述各种方法开展胶质瘤CTC相关研究[10-12]，但相较于其他常见肿瘤疾病，胶质瘤病例CTC并未得到深入研究，这很大程度上是受血-脑屏障影响，限制胶质瘤细胞向外周循环迁移，影响CTC检出率[13]。同时这也提醒我们，在胶质瘤有明显脑膜侵犯、血-脑屏障受到破坏时，外周血中CTC含量可能会上升[14];在脑脊液这种与脑组织之间屏障相对薄弱的体液中，CTC含量也可能会较高，这为以后研究提供思路。

　　2.2胶质瘤分子诊断肿瘤发生与发展伴随着基因改变，同一种类肿瘤，由于基因型不同，也会表现出不同特性，其治疗方案及预后也不同。胶质瘤常见与治疗相关的基因有MGMT、EGFR、TERT、IDH1等，瘤组织病理学检查是目前惟一诊断方法，但由于存在瘤内异质性，单一切片并不能反映肿瘤细胞间差异与肿瘤整体情况，诊断存在着一定不准确性，并可能对治疗决策产生影响，同时长周期、高成本、低效率等缺点也限制其发展[15]。

　　微流控技术结合单细胞成像技术可改善胶质瘤分子诊断，通过高通量的微通道对单个细胞分析，可同时测量多个胶质瘤特异性标志物，具有成本低、检测量大、精准度高等优点，可应用于单个细胞EGFR、PTEN等表达水平检测[16]。同时，在肿瘤细胞进入通道后所表现出来的细胞表型生物标志，如细胞形态、运动型、可收缩性等特异性改变，也体现出细胞病理状态，可被综合于诊断当中提升准确性，并能够反映肿瘤细胞侵袭性[17]。

　　针对胶质瘤细胞所特有的核酸进行检测，比如MGMT等突变基因所转录出来的特异性mRNA，以及miR-221等在胶质瘤细胞中表达含量上升的microRNA，也已经证明可用于胶质瘤分子诊断[18-19]，与传统PCR扩增相比，更加准确、快捷。尤其是近年来推出的10×Genomics等生物信息新技术，均应用微流控技术，能够在极短时间内利用极少量样本建立基因文库，对肿瘤异质性研究与精准治疗具有重要意义[20]。此外，近年研究火热的细胞外泌体被看作是信息传递的一种形式，其内常包含有RNA等遗传物质并被分泌到周围组织，可从体液中检测到，这为胶质瘤相关标志物检测提供新思路，其价值也被证实[21]。

　　2.3胶质瘤细胞体外培养及侵袭性研究肿瘤细胞所处的细胞外基质(extracellularmatrix，ECM)对于其生长、侵袭、转移具有非常重要作用，如何在体外构建准确的ECM成为研究肿瘤发生发展的关键[22]。ECM不仅包含细胞因子等化学刺激，细胞间作用及特殊应力等物理刺激也是重要成分，然而传统体外细胞培养环境为简单2D环境，缺乏构成ECM的条件[23]。利用微流控技术可构建出多因素整合的立体ECM模型，例如改变微通道管径以研究细胞间相互作用，控制氧气、糖含量模拟不同环境细胞的代谢，通过微通道形态改变流体剪切力等，这对于在脑组织这种特殊结构中生长的胶质瘤影响非常大。

　　由于血-脑屏障存在，胶质瘤极少发生转移，其恶性程度表现在肿瘤对周围脑组织的侵袭能力。在侵袭过程中，瘤细胞通过与ECM黏附，以及动态破坏正常组织实现迁移，而ECM不单单是由各种蛋白与细胞因子构成的混合物，其与瘤细胞之间紧密的力学作用，以及与周围组织结合的坚硬程度，均会显著影响瘤细胞侵袭过程[24]。利用微流控技术可在3D环境中构建不同孔径、形态、强度的基质，可达到对瘤细胞与ECM之间最精准控制，真实模拟胶质瘤细胞在脑组织间的迁移过程。

　　胶质瘤向周围侵袭过程中还伴随毛细血管增生，而由新生血管产生的血液流体动力学改变以及压力、营养、氧气梯度，均是刺激细胞迁移的重要因素[25]。传统培养环境无法模拟这种局域差异，微流控平台则可通过构建胶原或基质细胞微通道模拟瘤周间质的血流，通过改变液体流速模拟脑脊液流动变化，同时可通过使用缺氧诱导材料和构建气体微通道来达到氧气浓度梯度，为缺氧相关细胞行为提供最可靠的ECM。同时，胶质瘤形成的毛细血管周围常会出现小胶质细胞聚集，这种微流控平台的构建为研究肿瘤免疫与炎症反应提供条件[26]。

　　2.4胶质瘤相关药物研究药物对细胞的作用与ECM密不可分，而微流控技术所提供的体外细胞培养平台能够更好模拟肿瘤在人体内所处的真实环境，药物的渗透、代谢、效能可得到最真实评价[27]。同时，脑组织中药物作用有其特殊性，因为存在血-脑屏障，药物透过血-脑屏障后浓度变化，会影响药物作用效果，因此，体外胶质瘤化疗药物研究需要模拟血液-屏障-细胞间的层次关系。目前已有研究设计出基于微流控芯片的血-脑屏障模型，在构建屏障半通透性的同时，也模拟了血液流动的剪切力，更加真实反映药物渗透过程[28]。

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　　在肿瘤耐药性研究方面，以往一个耐药细胞系构建需要长时间培养和增加药物浓度，而微流控平台可通过设计不同药物浓度梯度的通道，快速诱导耐药细胞系[29]。同时，除细胞种群数量外，微流控技术构建的3D培养环境可提供更多细胞信息，如形态、迁移、血-脑屏障及ECM改变等，为研究药理及耐药机制提供帮助。

　　3总结

　　在推进“精准医疗”的大背景下，对胶质瘤这种恶性程度高，治疗成本高，预后较差的疾病，早期精确诊断并进行个体化治疗非常重要。微流控技术可为胶质瘤提供更好诊断方法，针对循环肿瘤细胞、RNA等检测，可辅助影像学检查进行确诊，同时也可减少病理诊断所需要的时间与成本，提高诊断准确度，方便医生制定诊疗计划。微流控芯片所提供的3D细胞培养基也能够模拟包括毛细血管、血-脑屏障、氧浓度梯度等多种体内真实环境，为胶质瘤相关基础研究提供帮助。

　　微流控技术在医学领域发展时日尚浅，还有很多电学、光学等学科的新技术可尝试结合，等待研究，这为未来疾病诊疗提供无限可能。对胶质瘤来说，影像学诊断存在着不足，病理标本获取创伤过大，当务之急还是需要一种微创、准确、稳定的体外诊断方案。微流控技术为此提供思路，高度集成和自动化的芯片可针对体液中循环肿瘤细胞与核酸进行富集并检测，作为早期诊断与病情跟踪的重要依据应用于临床，相信将会对胶质瘤诊疗提供重要帮助。——论文作者：耿新，任翔，王春红，成睿综述吉宏明审校

文章名称：微流控技术在胶质瘤研究的应用

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