近日，清华大学医学院刘鹏课题组联合北大人民医院王俊院士团队、北京航空航天大学陈晓芳课题组结合微流控芯片与肿瘤类器官技术，开展了跨领域、面向临床的联合攻关，开发出全新的集成超疏水微孔阵列芯片（InSMAR-chip），可在一周内获得肿瘤类器官药敏预测结果，极具临床转化前景。
精准治疗时代，肿瘤体外药敏预测是个体化治疗的重要研究方向。近年来肿瘤类器官技术取得重要进展，在多个癌种中均开发出预测患者对于药物抗癌疗效的体外模型。但在肺癌领域，肿瘤类器官模型的构建和应用受限于效率和时耗等问题，较其他癌种更为困难。
本研究中，作者将微流控芯片与肿瘤类器官这两项前沿技术结合，显著提高了对肿瘤患者抗癌药物临床疗效预测的效率和时效。首先，作者改进了肿瘤样本的处理方法，采用机械处理方法从103例手术切除和活检的新鲜肿瘤组织中培养出大量肺癌类器官（lung cancer organoids, LCOs），证实LCOs保留了亲代肿瘤的组织学与遗传学特征，并具有无限传代扩增的潜力，最终类器官培养成功率为79%。
图1 从患者肿瘤中建立LCOs，用于随后长期培养以及为期一周的InSMAR-chip上药物敏感性试验流程图
作者所建立培养的LCOs保留了原始肿瘤组织的组织学和遗传学特征，并且能在长期体外培养和传代后保持稳定，下图结果表明第0代的LCOs具有肿瘤类器官的主要特征。
图2 肺癌组织和衍生的肿瘤类器官的H&E和免疫组化染色对比图
图3 肺癌组织、LCOs对全基因组拷贝数变异（CNV）的热图。肺癌组织中DNA拷贝数增加（红色）和减少（蓝色）在相应的肿瘤类器官中保存，且所有LCOs均可见信号放大。
研究中，作者将开发的InSMAR-chip用于LCOs的高通量三维培养和分析。该芯片具有通量高、体积小、节约样本和试剂并可进行实时追踪和寻址的特征，其表面由于注入了超疏水涂层，使得微孔之间具有物理隔绝，保证了每个微孔独立的液体环境，便于加样和换液的操作，此外，芯片微孔间距与1536孔板保持一致，更适配商用的成像及检测仪器。
图4 在微孔中具有液滴阵列的InSMAR-chip芯片图（左）；芯片上一周药物敏感性试验的流程图（右）
由于芯片上的微孔体积为纳升量级，大幅降低样本消耗量和培养时耗，仅在一周时间内完成药物反应的测试，并获得药敏结果。作者基于LCOs进行了为期一周的药物敏感性测试并对肺癌靶向药物的疗效预测，可获得早于NGS检测的疗效预测结果，并与基因突变结果一致。另外，为期一周的药物敏感性试验还代表了肿瘤对化疗的反应异质性。
图5. EGFR突变型LC132O和EGFR野生型LC133-O拟合的剂量-反应曲线提示两例肿瘤对靶向药物敏感性的差异，与临床结果非常一致（左）；肺癌类器官对顺铂化疗的异质性反应（右）
综上所述，研究团队建立了一套有效的肺癌样本处理和分析方法，成功将药敏试验缩短至一周，相比基于PDO的药敏试验长达数周甚至数月的检测时长，新方法的时效性优势突出，检测时长符合临床实践的要求。使用InSMAR-chip进行LCOs药物敏感性检测的结果，通过与PDX模型、基因突变和临床实际疗效的对比，均证实能够预测体内肿瘤对抗癌药物的反应，并具备药物筛选的潜力。相信这项芯片与类器官结合的前沿技术会为肿瘤类器官预测药物临床反应带来新的突破，研究团队将继续协同努力，期待将这项技术在未来发展出更多的应用场景，并转化于临床，打通精准医疗的最后一公里。
该研究成果以“利用超疏水微阵列芯片对患者来源类器官进行分析实现在一周时间内快速预测肺癌患者对药物反应”（Patient-derived organoids analyzed on a superhydrophobic microwell array for predicting drug response of lung cancer patients within a week）为题，于5月10日在线发表于学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。清华大学医学院刘鹏副教授、北京大学人民医院胸外科王俊院士、北京航空航天大学陈晓芳副教授为该论文通讯作者，清华大学医学院博士胡亚伟、北京大学人民医院胸外科副主任医师隋锡朝为本文共同第一作者。本项目的研究受到了国家自然科学基金委员会等多个项目的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22676-1.
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