CERO微流控3D腸道腫瘤模型在納米藥物遞送新路徑研發(fā)中的應(yīng)用

2021年Linda Elberskirch等人于“Journal of Drug Delivery Science and Technology”發(fā)表了一篇微流控3D腸道腫瘤模型用于納米藥物的研究的論文。

在腸道腫瘤的治療中，納米顆粒藥物遞送系統(tǒng)為提升藥物靶向性和治療效果帶來(lái)了新希望。然而，腸道的黏液層既是藥物的障礙，也可能成為藥物靶點(diǎn)。傳統(tǒng)的二維細(xì)胞模型難以模擬納米顆粒在復(fù)雜腸道環(huán)境中的行為，因此，科學(xué)家們迫切需要更真實(shí)的體外模型來(lái)模擬體內(nèi)條件!! !

那么此刻“CERO 3D細(xì)胞類器官培養(yǎng)系統(tǒng)”，這款科研利器便發(fā)揮了極大的助力。CERO系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)方式生成了具有微絨毛和粘液層的3D腸道腫瘤球體，模擬了體內(nèi)環(huán)境，提高了研究的生理相關(guān)性，為納米顆粒藥物遞送的研究提供了一個(gè)更接近真實(shí)腸道腫瘤的體外模型。

緊接著這個(gè)腫瘤的體外模型參與了微流控3D腸道腫瘤模型的制備：
 

微流控3D腸道腫瘤球模型

為什么微流控3D模型如此重要？
研究者們引入了三維腫瘤球體模型。相比二維模型，三維腫瘤球體能更好地模擬體內(nèi)腫瘤的結(jié)構(gòu)。CERO系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)方式促進(jìn)了HT29-MTX-E12細(xì)胞形成3D腫瘤球體。

CERO培養(yǎng)出3D腫瘤球

1. Corning球體微板培養(yǎng)5天培養(yǎng)出球體；

2. 球體被轉(zhuǎn)到CERO培養(yǎng)管中，并在CERO系統(tǒng)中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)產(chǎn)生腫瘤球。

這些球體模擬了腸道腫瘤的微觀結(jié)構(gòu)，包括活性外層細(xì)胞、中間層的靜止細(xì)胞和壞死核心。

在CERO系統(tǒng)中，3D腫瘤球體表面能夠形成微絨毛和粘液層，這些特征對(duì)于模擬腸道腫瘤的自然環(huán)境至關(guān)重要。微絨毛和粘液層的存在對(duì)于研究納米顆粒的吸附和滲透能力非常重要，因?yàn)樗鼈兪悄c道腫瘤表面的重要組成部分。

為了進(jìn)一步提高模型的真實(shí)度和實(shí)驗(yàn)效率，研究人員通過(guò)微流控技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)流體環(huán)境。該系統(tǒng)不僅能夠模擬腸道的流體流動(dòng)和蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)，還能幫助研究人員評(píng)估納米顆粒在流體剪切力作用下的停留時(shí)間和滲透能力。那么與動(dòng)態(tài)流體環(huán)境與之對(duì)應(yīng)的是靜態(tài)環(huán)境。

動(dòng)靜處理兩者的區(qū)別是

1. 靜態(tài)處理

   在第十天，將五個(gè)球體一批轉(zhuǎn)移到24孔細(xì)胞懸浮多孔板中，并在靜態(tài)條件下培養(yǎng)兩天，直到它們形成了一個(gè)壞死核心。

   在靜態(tài)條件下，將納米顆�；蜃杂蒐umogen® F Red 305化合物稀釋在培養(yǎng)基中，與球體一起孵育3小時(shí)。

2. 動(dòng)態(tài)處理

   球體被放置在微流控芯片系統(tǒng)中，并通過(guò)蠕動(dòng)泵以100微升/分鐘的速度循環(huán)培養(yǎng)基。

   培養(yǎng)基中的納米顆�；蜃杂蒐umogen® F Red 305化合物在流動(dòng)條件下與球體接觸，模擬了體內(nèi)的流體剪切力。

總結(jié)
靜態(tài)處理提供了一個(gè)無(wú)流體流動(dòng)的環(huán)境，而動(dòng)態(tài)處理則模擬了體內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)條件，包括流體剪切力和流動(dòng)對(duì)藥物遞送系統(tǒng)的影響。動(dòng)態(tài)處理因此更能反映藥物在實(shí)際體內(nèi)的分布和作用，有助于提高體外實(shí)驗(yàn)與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。

納米顆粒如何在該模型中進(jìn)行測(cè)試的？
研究中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種不同類型的納米顆粒
 

1. Carbopol®修飾的納米顆粒（NP1-LR-CP）：用于研究納米顆粒在腫瘤球體表面的粘附性。

2. Pluronic® F127修飾的納米顆粒（NP2-LR-F127）：用于研究納米顆粒的滲透性，尤其在動(dòng)態(tài)條件下如何穿過(guò)黏液層進(jìn)入腫瘤內(nèi)部。

通過(guò)在納米顆粒中封裝熒光染料Lumogen® F Red 305 (LR)，研究人員能夠通過(guò)顯微鏡對(duì)這些納米顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行可視化。同時(shí)，利用高效液相色譜（HPLC）定量分析納米顆粒的吸附和滲透性能，從而確定其在不同實(shí)驗(yàn)條件下的表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何？

1. 吸附和滲透能力

   Carbopol®修飾的納米顆粒（NP1-LR-CP）在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下表現(xiàn)出了更強(qiáng)的黏附性，尤其是在腸道腫瘤球體表面的吸附效果顯著。

   Pluronic® F127修飾的納米顆粒（NP2-LR-F127）在動(dòng)態(tài)條件下展現(xiàn)出更優(yōu)異的滲透能力，能夠成功穿過(guò)黏液層滲透到腫瘤球體內(nèi)部。
    

     2. 動(dòng)態(tài)流體對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

通過(guò)動(dòng)態(tài)微流控系統(tǒng)，研究人員模擬了腸道中的流體環(huán)境，發(fā)現(xiàn)流體流動(dòng)顯著影響了納米顆粒的吸附和停留時(shí)間。在動(dòng)態(tài)條件下，流體剪切力減少了納米顆粒的停留時(shí)間，使得吸附量低于靜態(tài)條件。這進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在模擬體內(nèi)條件中的重要性，能夠更好地預(yù)測(cè)藥物在體內(nèi)的表現(xiàn)。

      3. 細(xì)胞存活率分析

實(shí)驗(yàn)還對(duì)細(xì)胞的存活率進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論在靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)條件下，納米顆粒對(duì)腫瘤球體的細(xì)胞存活率影響較小，表明該模型適合長(zhǎng)時(shí)間的藥物篩選實(shí)驗(yàn)。
 

該模型的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

1. 高效模擬體內(nèi)環(huán)境：微流控3D腫瘤球體模型能夠動(dòng)態(tài)模擬體內(nèi)腸道的微環(huán)境，這在傳統(tǒng)靜態(tài)模型中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2. 減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：該系統(tǒng)能夠減少對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的依賴，符合3R原則（替代、減少、優(yōu)化）。

3. 靈活調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件：研究人員可以根據(jù)需求靈活調(diào)整微流控系統(tǒng)的流體參數(shù)、納米顆粒表面修飾材料等，適用于不同類型的藥物遞送研究。

未來(lái)應(yīng)用前景

1. 微流控3D腸道腫瘤球體模型：藥物篩選與靶向研究的新方向

   這個(gè)微流控3D腸道腫瘤模型不僅用于篩選藥物，還為開(kāi)發(fā)新的藥物遞送系統(tǒng)和靶向治療提供了新思路。它通過(guò)模擬體內(nèi)環(huán)境和動(dòng)態(tài)流體，有望提高藥物篩選效率，加速藥物研發(fā)進(jìn)程。

2. 納米藥物遞送的優(yōu)化與未來(lái)腫瘤研究的潛力

   該模型有助于研究納米顆粒在體內(nèi)的動(dòng)作，提升藥物傳遞效果，并可推廣至多種腫瘤研究，支持新藥開(kāi)發(fā)。