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預測個體對腫瘤藥物的響應有助于指導治療決策和提高腫瘤患者生存率。目前，雖然腫瘤病理學、組織學和分子圖譜正被整合到個性化醫療中，以指導治療決策。然而，在個性化醫療中評估腫瘤對免疫治療的反應仍然是一個巨大的挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國印第安納大學布魯明頓分校（Indiana University Bloomington）郭峰課題組開發了一種基于微流控的微型腫瘤芯片，用于預測和評估癌癥免疫治療的療效。相關研究成果以“Evaluation of cancer immunotherapy using mini-tumor chips”為題發表在Theranostic上。

傳統腫瘤體外模型，例如原代細胞培養，腫瘤異種動物模型（PDX）和腫瘤類器官只能保留病人腫瘤中的腫瘤細胞成分，而無法復現腫瘤微環境中其他組成成分，特別是免疫細胞的組成、表型以及對免疫檢查點抑制劑（ICI）治療的響應。在此項研究中，研究人員利用微流控芯片技術，將消化的腫瘤組分在微孔中重新形成細胞組分和原腫瘤一致的微型腫瘤。微型腫瘤保留原腫瘤細胞組分的同時，可以實時觀察免疫細胞之間以及免疫細胞與腫瘤細胞的相互作用。并且可以平行分析病人原代腫瘤對多種藥物，尤其是對ICI的響應。

為了再現體內腫瘤微環境（TME），研究人員設計了具有3個關鍵特性的微型腫瘤芯片：（1）包含16個通道的大型微孔陣列，每個通道60個孔，以對960個腫瘤細胞成分進行分析；（2）16個平行進樣口，允許對每個樣品進行16種獨立處理研究；（3）半分離反應器，保障有效的細胞灌注和原位細胞間的相互作用，同時局部保留細胞因子梯度（圖1）。

圖1 微型腫瘤芯片的工作原理

為了進一步優化和驗證微型腫瘤芯片，研究人員首先探索了輸注細胞濃度和每個微型腫瘤微孔細胞數之間的關系，研究發現每微孔的細胞數量與輸注細胞濃度成比例增加。此外，研究人員通過流式細胞術（flow cytometry）比較了原發性腫瘤和微型腫瘤芯片的細胞成分。數據表明，微型腫瘤芯片上的細胞成分可以代表原發腫瘤的細胞成分。接下來，研究人員檢測了抗程序性細胞死亡蛋白-1（programmed death-1，PD-1）抑制劑治療后的腫瘤細胞活力。結果顯示，細胞可以在最初的24h內保持高活力，在36h時活力略有下降。為了測試3D微環境是否可以更好地體現腫瘤的藥物反應，對接種到微型腫瘤芯片上的腫瘤細胞與2D培養的96孔板中的腫瘤細胞進行了抗PD1對照實驗。結果表明，在微型腫瘤芯片中培養的腫瘤細胞顯示出對抗PD1的顯著響應。

為進一步驗證微型腫瘤芯片并展示其在評估腫瘤對抗PD1治療響應中的應用，研究人員利用C57BL6小鼠（n=20）建立了原位EO771腫瘤模型，并對荷瘤動物進行一系列抗PD1治療（圖2）。研究發現，大多數小鼠對抗PD1治療具有抗藥性，只有少數小鼠對抗PD1治療具有良好的響應。接著，研究人員從超級響應者（Responder，RS：其腫瘤體積在第18天消退）以及典型的無響應者（Non-Responder，NS：盡管實施了抗PD1治療，腫瘤體積仍顯示持續增長）中分離出原位腫瘤，并接種到微型腫瘤芯片上。研究發現，微型腫瘤芯片忠實的再現了體內實現結果。在抗PD1處理12h后，可以觀察到RS和NR腫瘤細胞活力之間的顯著差異，隨著培養時間的延長，差異更加顯著。此外，研究人員分析了RS和NR腫瘤的成分組成，發現與NR腫瘤相比，RS原發性腫瘤具有顯著更高的CD4?和CD8? T細胞組成。

圖2 基于微型腫瘤芯片分析原位腫瘤對抗PD1治療的響應

由于不同的腫瘤成分、T細胞浸潤和腫瘤PD-L1表達等，患者對抗PD1治療的響應差異很大。因此，預測患者對抗PD1治療的響應對疾病預后以及對患者進行分層具有很大的意義。結果顯示，PD-L1基因剔除（PD-L1 knockdown，PD-L1 KD）小鼠對抗PD1治療的響應最好，這與基于腫瘤芯片的預測一致（圖3）。

圖3 基于微型腫瘤芯片預測原位腫瘤對抗PD1治療的響應

為了測試微型腫瘤芯片是否可用于ICI藥效評估，研究人員從患有雌激素受體和孕激素受體陽性（ER+ PR+）或三陰性乳腺癌（TNBC）患者以及腎細胞癌（RCC）患者身上采集了原發性腫瘤。研究發現來自ER+ PR+、TNBC和RCC患者的原發性腫瘤細胞，可以不同的速率對微型腫瘤芯片上的抗PD1治療作出響應（圖4）。這種響應突出了微型腫瘤芯片在探尋ICI對不同患者療效的差異性以及未來個性化治療應用的潛力。