微流控芯片单细胞克隆形成抑制实验用于乳腺癌干细胞特异性药物筛选

大量研究结果提示，肿瘤干细胞（cancer stem cells,CSCs)是肿瘤发生、发展、转移的决定因素，也是导致治疗失败的主要原因。传统肿瘤治疗手段如放疗和化疗，并不能彻底清除肿瘤干细胞而且会对正常组织造成损害。鉴于上述事实，针对肿瘤干细胞的靶向清除方法已成为近期肿瘤治疗的一种新策略。肿瘤干细胞特异性药物筛选对于肿瘤干细胞靶向治疗具有重要价值。然而，肿瘤干细胞含量稀少且分离后干性难以维持，这对于基于肿瘤干细胞的药物筛选带来了极大的挑战。针对该问题，华南理工大学附属广州市第一人民医院检验医学研究室暨广东省微流控芯片医学诊断工程技术研究中心报导了一种基于微流控芯片的单细胞克隆形成抑制实验。相关研究论文被《Small》杂志接收，将发表于该杂志2019年度的微流控特刊。课题组博士研究生林冬果和硕士研究生李佩文为论文并列第一作者，刘大渔研究员为该论文通讯作者。

研究利用肿瘤干细胞单细胞克隆形成特性，发展基于微流控芯片的单细胞克隆形成抑制实验用于乳腺癌干细胞靶向药物筛选。实验原理是在添加生长因子条件下肿瘤干细胞可以单细胞存活并形成克隆，而其它肿瘤细胞则会失巢凋亡，依此实现肿瘤干细胞分选。这种单细胞克隆形成可以被肿瘤干细胞特异性药物所抑制，因此这种单细胞克隆形成抑制实验可以作为筛选肿瘤干细胞特异性药物的工具。

研究设计并加工了一种具有3840单细胞捕获微池阵列的微流控芯片。微流控芯片上的单细胞捕获采用尺寸限制策略：芯片的旁路通道宽度30微米，高度10微米，因而只允许液体流过而细胞在此被截获。截获了细胞的旁路通道由于阻力增加，后续细胞不再流入。因此在细胞悬液连续灌注过程中单个细胞被依次捕获于旁路通道形成高密度单细胞阵列。

实验选用MCF-7、MDA-MB-231及T47D三种乳腺癌细胞系，在微流控芯片上完成了单细胞阵列构建、连续（14天）细胞培养、原位荧光呈像分析以及细胞药物作用实验。实验分别使用紫杉醇、阿霉素、硫链丝菌素和盐霉素作用于芯片单细胞阵列，根据单细胞克隆形成实验结果评价药物对肿瘤干细胞的选择性杀伤作用。

在优化的条件下，芯片单细胞捕获效率达54.2%，相应的单次测试单个肿瘤细胞数量超过2000。捕获前后细胞直径分布检测结果提示，芯片单细胞捕获没有尺寸选择性。单细胞阵列中只有少量细胞可以在长期培养中存活并形成克隆，各种乳腺癌细胞的克隆形成率分别为：MDA-MB-231，5.78%；MCF-7，1.67%；T47D，5.24%。

药物测试结果显示，在对应IC50的药物浓度作用下, 硫链丝菌素对于MDA-MB-231, MCF-7, T47D三种细胞中的肿瘤干细胞清除率分别为100%, 97.60%, 和 99.62%, 而盐霉素的肿瘤干细胞清除率分别为100%, 100% 和 97.07%。图4可见，肿瘤干细胞特异性药物硫链丝菌素和盐霉素的单细胞克隆形成抑制率显著高于传统抗肿瘤药物。此外，肿瘤干细胞特异性药物可以在非常低的浓度下发挥抗肿瘤作用，对于正常组织几乎没有伤害。有趣的是，肿瘤干细胞特异性药物对于不同类型细胞显示出了明显的差别，这提示不同个体肿瘤中的干细胞信号通路不尽相同，相对应的特异性药物也会有所差别。

综上所述，本研究发展了一种基于微流控芯片单细胞克隆形成实验的乳腺癌干细胞靶向药物筛选方法。这种芯片方法能够高效构建单细胞阵列并以集成化的方式完成整个分析过程。研究确认了微流控芯片单细胞克隆形成实验的乳腺癌干细胞靶向药物筛选能力。实验结果显示，肿瘤干细胞靶向药物可以完全地抑制单细胞克隆形成，而非靶向药物的抑制效应则是部分的。这种微流控芯片单细胞分析技术具有操作简便、分析高效的优势，因而是肿瘤干细胞靶向药物筛选的有利工具。