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高压放大器行业应用分享:微流控肿瘤芯片追踪实体瘤微环境变化梯度研究

作者:Aigtek 阅读数:0 发布时间:2024-05-23 09:05:25

  微流控技术是一种通过微小的通道和微型装置对流体进行精确操控和分析的技术。它是现代医学技术发展过程中的一种重要的生物医学工程技术,具有广泛的应用前景和重要性。它在高通量分析、个性化医疗、细胞筛选等方面有着巨大的潜力,Aigtek安泰电子今天就将为大家分享一篇微流控领域研究成果,一起接着往下看吧~

  恶性肿瘤是全球人类第二大死亡原因。近期,在发达国家中,由它引起的死亡甚至经已超过心血管疾病,使之成为发达国家的第一大死亡原因。实体瘤会在其周边形成一个抑制环境,如营养耗竭,废物积累,缺氧,pH值酸化等。这种环境会对人体的免疫系统造成极大的负担,从而严重损害效应免疫细胞,如T细胞和自然杀伤细胞(NK)破坏肿瘤细胞的能力。

  在过去的几年里,免疫学方面的多项突破,如嵌合抗原受体(CAR)T/自然杀伤细胞(NK)和免疫检查点抑制剂(ICIs),在血液恶性肿瘤(如急性髓细胞白血病和急性淋巴细胞白血病)的治疗中取得了巨大的成功(2)。因此,科学家和临床医生正在努力将免疫疗法推广到实体瘤的治疗上。然而,驱动免疫抑制的具体分子机制,以及免疫细胞适应抑制环境的能力,尚不完全清楚,并且传统的二维(2D)模型并不能很好的模拟三维实体瘤所形成的复杂的肿瘤微环境(TME)。

近期, University of Wisconsin的Jose M. Ayuso 与David J. Beebe联合 Morgridge Institute for Research的Melissa C. Skala在Science Advances (IF=14.136)上发表题为Microfluidic tumor-on-a-chip model to evaluate the role of tumor environmental stress on NK cell exhaustion的文章。他们使用体外微流控芯片肿瘤平台(图1),实现了对乳腺癌实体瘤微环境中四个要素:营养、pH值、增殖和坏死的梯度模拟。通过对肿瘤细胞和免疫细胞的观测,评估了NK细胞如何对肿瘤诱导的抑制环境做出反应。

  首先,他们构建了一个肿瘤微流控模型。该模型有一个中央微室,微室一侧有一根PDMS小棒,其余部分则填入混合了乳腺癌细胞(即MCF7)的胶原水凝胶。小棒在水凝胶固化后被移除,形成管状空腔。再在空腔内壁铺上一层内皮细胞(人脐带内皮细胞HUVECs),并注入培养基,就形成了一个可向周边输送营养的类血管结构(图1B)。通过比较可以观察到,距离类血管结构越远的乳腺癌细胞的活性和增值速率会逐步降低。

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  图1肿瘤芯片

  接下来,团队在胶原水凝胶中同时均匀混入乳腺癌细胞(MCF7)和自然杀伤细胞(NK-92)来评估NK-92细胞在响应肿瘤芯片产生的环境时的分子变化。经逆转录定量聚合酶链反应(RT-qPCR)实验和非分级聚类图分析显示,NK-92与免疫衰竭相关的多个基因,以及与营养饥饿、缺氧和血管生成相关的基因在培养一周后,表达量都出现显著上调。这说NK-92在该环境下逐渐衰竭,并激活了一些适应性反应。而与NK细胞存活、增殖和激活相关的多个基因则显著下调,突出了肿瘤芯片微设备内部产生的环境的免疫抑制作用(图2C)。通过从芯片不同部位取NKcell进行比较,团队发现不同区域的NK-92细胞的基因表达也大不相同。同近端区域相比,远端区域的NK细胞增殖能力较弱,对趋化因子的反应较弱,但它们的促炎反应基因的表达程度却出现上调。

  那么NK细胞衰竭的现象到底是由微装置中产生的环境应激引起的,还是仅仅是由于肿瘤细胞长达7天的慢性激活引起的呢?

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  图2肿瘤芯片混入NK细胞培养引发NK细胞衰竭

  为了回答这个问题,该团队在养分充足的孔板里,重新培养混入了MCF-7的NK-92细胞并培养相同的时间。经过同样的基因表达检测流程,他们发现此时NK-92的基因表达与培养在肿瘤芯片中的大相径庭。于是可以得出结论,NK细胞衰竭的主要因素是环境压力,而不是肿瘤细胞对NK的慢性激活。而这种区别,同时也体现了芯片肿瘤模型相对于传统检测模型的优势,验证了模拟实体瘤微环境与否对实验结果的准确性存在巨大的影响

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  图3比较在微环境呈梯度变化的肿瘤芯片与营养供给充足的传统三维培养环境中,NK细胞的耗竭状况。

  基因表达分析表明,肿瘤芯片模型较传统孔板而言能观察到更明显的免疫耗竭,其中耗竭标记物PD-1和IDO-1的表达出现了大幅的上调。因此,团队开始从应用角度评估该芯片,使用它来测试针对免疫衰竭的免疫疗法的潜力。他们在芯片中加入抑制耗竭标记物表达的药物,再对肿瘤细胞的成活率进行检测,以表征NK细胞的免疫活性(图4)。最终,实验结果证明免疫调节因子如检查点(ICIs)和代谢(IDO-1)抑制剂在一定程度上减轻了免疫衰竭。然而,完全根除位于肿瘤最内层的肿瘤细胞可能需要针对肿瘤微环境效应的新方法。

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  图4ICIs和IDO-1抑制剂在传统检测和肿瘤芯片上的作用

  逆转或防止免疫衰竭的新疗法有很大的潜力,但人们对驱动这一过程的机制仍知之甚少。因此,该团队进一步开始研究将这些出现耗竭现象的免疫细胞从受抑制的环境中移出,看它们是否还能恢复到原来的表型。于是在芯片中培养一周后,混有MCF-7和NK-92的胶原水晶胶被取出芯片腔室。NK-92细胞被分离出来后再转移至环境压力小的培养瓶里再养一周。观察发现,几个在肿瘤芯片培养细胞中逐渐上调的与免疫衰竭和应激反应相关的基因(如IDO-1、CCl28、VEGF和MICA),在传统烧瓶中培养1周后恢复到原来的值(图5C)。这说明NK细胞在与肿瘤细胞共培养后可能还保留了一些原始细胞状态的记忆。

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  图5在肿瘤芯片平台上培养过后,NK细胞的恢复

  分析RT-qPCR的数据表明暴露的NK细胞与未暴露的NK细胞具有不同的分子表型。因此,该团队还评估了暴露NK细胞中这些分子改变所带来的功能层面的后果(图6)。最终,实验结果强调了芯片上肿瘤产生的环境压力会显著影响NK细胞的分子表型和功能。

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  图6暴露前后NK细胞的功能变化

  随着科技的不断进步,肿瘤芯片技术可能会加速各种新型的免疫疗法的发展,为相关实验提供一个多功能的工具,成为连接体外平台和动物模型之间的桥梁。

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