液滴微流控技术在癌症研究中的应用：从单细胞分析到3D细胞培养

癌症具有难发现、治愈率低和愈后差等特点，已经成为全球第二大死亡原因。由癌细胞异质性引起的耐药性和治疗差异是癌症治疗效果不佳的主要原因。此外，利用基于二维（2D）培养的癌细胞进行药物筛选忽略了体内肿瘤微环境的影响，无法准确评估药物在体内的效果。因此，肿瘤细胞的单细胞分析和体外肿瘤模型的培养成为当下癌症研究领域迫切需要解决的问题。液滴微流控技术经过数十年的发展，已经被广泛用于单细胞分析和三维（3D）细胞培养，为肿瘤细胞的异质性分析和体外肿瘤球体培养提供了全新的强有力平台。

近期，东南大学项楠教授课题组综述了液滴微流控技术在当下癌症研究中的最新进展和应用前景，相关成果以“Droplet Microfluidics for current cancer research: from single-cell analysis to 3D cell culture”为题发表在ACS Biomaterials Science & Engineering期刊上。文章第一作者为蒋林博士，通讯作者为项楠教授。

该综述首先概述了液滴微流控的使能技术，包括单/双乳液滴的生成及液滴的主/被动分裂、融合、混合、分选和捕获。然后，系统地讨论了液滴微流控技术用于单细胞的基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学的异质性分析，并重点介绍了液滴微流控技术与微流控分选技术的结合在稀有循环肿瘤细胞单细胞分析中的应用。此外，论文讨论了基于液滴微流控技术的无支架3D肿瘤球体培养，以及在液滴微流控技术中利用不同水凝胶以实现基于支架的3D肿瘤球体培养的策略。最后，论文讨论了液滴微流控技术在癌症研究领域的应用中存在的挑战和发展前景。

图1 液滴微流控技术在癌症研究领域的应用  

图2 液滴微流控技术用于癌细胞的研究：（a）单细胞CD-45转录组分析；（b）单细胞miRNA-21分析；（c）单细胞分泌的血管内皮生长因子分析；（d）单细胞分泌的碱性磷酸酶分析。液滴微流控技术用于稀有循环肿瘤细胞的研究：（e）结合基于抗体的细胞捕获和声学液滴技术实现稀有循环肿瘤细胞的基因组突变分析；（f）结合基于尺寸的细胞捕获和阶梯乳化实现稀有循环肿瘤细胞的基质金属蛋白酶代谢分析。

 

图3 液滴微流控技术用于无支架的3D肿瘤球体培养：（a）尤文肉瘤球体培养及耐药性测试；（b）含有不同比例的MCF-7乳腺癌细胞和NIH-3T3成纤维细胞的肿瘤球体的培养及耐药性测试。液滴微流控技术用于基于支架的3D肿瘤球体培养：（c）Alginate微胶囊封装MCF-7乳腺癌细胞和HMF乳腺成纤维细胞实现3D肿瘤球体培养；（d）GelMA液滴用于血管支持的多细胞肿瘤球体培养；（e）agarose液滴用于肿瘤球体的长期培养、药物灌注和按需提取；（f）集成芯片用于大批量肿瘤球体的长期培养。  

综上所述，液滴微流控技术以其低成本、高灵敏度、高通量的特点已经成为强大的单细胞分析和3D细胞培养平台，为肿瘤细胞的异质性分析和体外肿瘤模型培养提供了全新的工具。尽管如此，液滴微流控技术在癌症研究领域的进一步应用仍然存在一些挑战和发展前景。

机器学习和人工智能的引入可以很好地解决目前液滴微流控芯片设计高度依赖研究人员经验的情况。此外，结合人工智能赋能的图像识别等无标签检测方式，可以拓宽基于液滴的单细胞分析范围。另一方面，随着快速微加工技术（例如3D打印技术）的发展，传统软光刻工艺所导致的长制造周期和成本高昂等问题也可以得到解决。通过开发具备良好的生物相容性且理化性质可控的水凝胶，可以更好的模拟体内肿瘤微环境实现体外肿瘤球体的培养。

论文链接： https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.3c01866