基于微流控芯片技术定量研究肺癌干细胞在转移微环境中的迁移

Recent therapeutic advances in lung carcinoma have been driven by targeting the cancer stem cells in the cancer microenvironment. However, most researches simplified cancer as a homogeneous population of cells, with the ignorance of tumor heterogeneity and cancer cell communications in the cancer microenvironment. Previously we found that the survival and migratory capability of lung cancer stem cells significantly increased in the medium cultured cancer cells with anti-cancer drug treatment. In this project, we propose to develop a microfluidic-based system which will enable co-culturing lung cancer stem cells and lung cancer cells in vitro while maintaining a microenvironment similar to the in vivo tumor mass by designing a microfluidic canal network mimicking the tumor stroma. The microfluidic system will provide a platform for display of spatial and temporal dynamics of the microenvironment during the cancer metastasis process. In this project, We will for the first time quantitatively measure the behaviors of lung cancer stem cells in the metastasis process at single cells level, which are difficult to quantify with traditional techniques. We will focus on: (1) by controlling of the dimensions of the microchannels, cellular communications and the alternation of the microenvironment could be mimicked and controlled; (2) by real-time monitoring the cellular behaviors, the biophysical model of behaviors of the lung cancer stem cells during metastasis will be established; (3) by exerting external drug stimuli, the alteration of the microenvironment will be mimicked and the response of lung cancer stem cells and the cellular communication will be studied. With the support of traditional biological techniques, the key molecules regulating lung cancer stem cell migration and communication will be screened and studied. The reconstruction of tumor microenvironment in the microfluidic chip can be further exploited to study the biological processes involving cancer stems cells and other cells in tumor, which will be important for the development of novel and therapeutic strategies against cancer.

针对全球发病率最高的肺癌，以肺癌干细胞为靶点的新型治疗方案屡有报道。本项目针对传统方法不易还原肿瘤微环境的弱点，构建仿生微流控芯片，模拟肺癌干细胞和肺癌细胞在转移过程中的微环境及其变化。前期研究发现，在抗癌药物处理后的肺癌细胞培养环境中，肺癌干细胞的存活和迁移能力显著提高。在此基础上，本项目利用微流控技术在单细胞水平研究肺癌转移过程中肺癌干细胞的迁移及其与周围细胞的通讯。重点研究：（1）利用微通道结构的设计，模拟肿瘤在转移过程中空间大小和通讯方式的变化；（2）通过荧光标记和实时监控手段，建立肺癌干细胞迁移过程的生物物理学模型；（3）通过药物刺激模拟微环境的改变，研究肺癌干细胞的迁移和细胞间的通讯，筛选调控肺癌干细胞迁移能力的关键信号分子。本课题属于微流控技术和生命科学交叉的前沿领域，打破了传统生物学方法的局限，对促进微流控芯片技术的发展和完善癌症干细胞的认识将产生积极的影响。

1. 项目背景. 近年来，人们发现肿瘤干细胞是肿瘤的发生、发展和转归机制的根源。然而，受传统生物学方法所限，人们对于单个肿瘤干细胞在体内微环境下的行为特征，及其与周围肿瘤细胞相互通讯的研究还相对匮乏。因此，我们迫切需要建立一个能真实反应实体肿瘤组织中不同细胞构成的仿生微环境技术平台。.2. 研究内容. 本项目从全球发病率最高的肺癌入手，针对传统生物学方法不易还原肿瘤组织生长的微环境、难以针对单个细胞实时观察的弱点，提出了构建仿生微流控芯片模拟肺癌干细胞和肺癌细胞在转移过程中的微环境及其变化，首次在单细胞水平对单个肺癌干细胞转移中的迁移过程进行系统地定量研究。利用微通道结构的设计，实现了细胞在不同接触方式下的通讯，模拟了肿瘤在侵润和转移过程中微环境的变化。通过荧光标记和实时监控手段，建立了肺癌干细胞迁移的分析指标，在单细胞水平定量分析了肺癌干细胞的迁移，以及药物刺激下微环境的改变对肺癌干细胞迁移和细胞间通讯的影响。结合传统生物学方法，分析了肺癌干细胞在转移过程中EMT相关基因和蛋白的表达，从细胞和分子水平为研发新型肺癌治疗方案提供理论和实验依据。.3. 科学意义. 本项目利用微流控技术集成化、易调控、高通量的优势，将细胞共培养和浓度梯度产生装置相结合，最大程度还原病变细胞和周围细胞间的组织关系，全面研究了肿瘤干细胞在转移微环境下的迁移行为。本项目综合运用了现代生命科学、化学、材料学等学科的理论，以微流控技术中的新方法和新技术为突破口，为传统细胞生物学研究提供新的技术手段。同时，本项目的成功实施对研究肺癌干细胞在肺癌复发和转移中的作用提供基础性研究结果，为新一代抗癌药物的研发和个体化治疗提供有力的数据支持。.4. 项目成果. 本项目相关研究结果共计发表SCI论文3篇，申请专利1项，在投论文1篇。参加各项国际/国内学术会议5次，其中口头报告2次，墙报3次。根据项目所取进展，负责人成功申请了江苏省基础研究计划（自然科学基金）面上项目1项。培养硕士研究生3名。项目负责人获得2017年江苏省“双创人才”双创博士称号。