基于微流控芯片细胞共培养研究肿瘤酸性微环境对肿瘤细胞 耐药性和侵袭性的影响

Tumor acidic microenvironment is an important cause of drug resistance. In this project, two types of tumor microenvironment respectively composed of hepatocyte-endothelial cell-glioma cell and hepatocyte-endothelial cell-kidney tumor cell will be constructed by integrating porous membrane and biological hydrogel into microchip. The effects of acid microenvironment on drug resistance of tumor cells will be studied by introducing acid/base reagents as extra-regulation mode or using lactic acid inhibitor to reduce the cells secretion of lactic acid as inner-regulation mode. The acidic changes in tumor microenvironment could induce the changes of cell secretion factors, which is indispensable with cells invasion and migration. The relationship between and among pH values of tumor microenvironment, cell secretion factors and migration will be investigated. Construction of ambient NanoDESI source to couple with microfluidic chip, the cellular metabolites and secretions during cells co-culture will be real-time and on-line monitored. The study of the relationship between tumor acidic microenvironment and tumor drug resistance is of great significance for guiding development of new anticancer drugs.

肿瘤酸性微环境是肿瘤细胞产生耐药性的重要原因。项目拟在微流控芯片上借助多孔膜和生物凝胶进行细胞共培养，构筑肝细胞-内皮细胞-脑胶质瘤细胞的肿瘤微环境和肝细胞-内皮细胞-肾癌细胞的肿瘤微环境，通过酸碱试剂的外调控方式和乳酸抑制剂的内调控方式研究肿瘤酸性微环境的变化对肿瘤细胞耐药性的影响。因肿瘤微环境酸性的变化会影响细胞分泌因子的改变，进而对肿瘤细胞向内皮细胞的侵袭和迁移产生影响。项目拟对肿瘤微环境酸性、细胞分泌因子与细胞形态变化和迁移三者之间的关系进行深入研究。拟搭建NanoDESI常压质谱源装置，将其与微流控芯片联用实现细胞药物代谢物和相关分泌物的实时在线高灵敏度质谱检测。肿瘤酸性微环境与肿瘤细胞耐药性的相关性研究对指导肿瘤新药开发有重要意义。

项目研究内容基本按照研究计划执行，很好地完成了项目的预期目标，取得了系列研究成果。1）充分利用微流控芯片结构的可设计性和集成性，通过细胞共培养构筑肝脏-乳腺肿瘤代谢模型成功用于抗肿瘤前体药物卡培他滨前的代谢及杀伤过程模拟，构建了由血管内皮细胞、成纤维细胞、敏感和抗药性乳腺癌细胞组成的肿瘤血管微环境用于研究肿瘤微环境对细胞耐药性的影响。研究结果验证了肿瘤微环境对乳腺癌细胞耐药性的增强作用，并通过细胞外泌体检测为微环境作用提供了佐证。2）细胞微环境的基质硬度和化学信号对细胞的生物学功能和迁移有重要影响。我们设计了一种能产生正交的硬度梯度和化学梯度的微流控芯片，研究硬度和表皮生长因子（EGF）对胶质瘤细胞的协同作用。研究发现细胞铺展面积和纵横比随基质硬度的升高而升高，而细胞圆度的趋势则与之相反。更有趣的是凝胶硬度能够促进细胞的趋化性，生长因子梯度能够加速细胞的迁移。3）细胞内的谷胱甘肽（GSH）动态平衡与细胞的耐药性相关。研究发现还原型谷胱甘肽(GSH)与氧化型谷胱甘肽（GSSG）的比例与药物浓度和作用时间呈负相关性，且缺氧条件下药物对细胞中GSH/GSSG的影响较正常培养条件下更为明显。针对目前测定细胞中GSH/GSSG的方法通常需要大量的细胞和复杂的样品前处理过程问题，设计了一种基于纳米金修饰多孔硅芯片的快速激光解吸质谱检测方法，可方便、快速、准确地对GSH/GSSG进行分析。4）肿瘤诱导分化是诱导肿瘤细胞失去肿瘤细胞特征而表达良性表型。我们用苯丁酸钠(SPB)和全反式维甲酸(ATRA)诱导剂对胶质母细胞瘤细胞株U87-MG细胞诱导分化后，发现U87-MG细胞的增殖率降低，细胞周期被阻滞在G1期， CD133蛋白表达降低而胶质纤维酸性蛋白(GFAP)表达增强。通过MALDI-MS检测发现，诱导分化后的U87-MG细胞膜脂质也同时表现出明显的差异性，这是以前未曾报道过的现象。项目共发表SCI标注论文7篇，其中5篇为第一标注。申请发明专利1项，获得授权发明专利1项。