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，研究人員通過微流控技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)動態(tài)流體環(huán)境。該系統(tǒng)不僅能夠模擬腸道的流體流動和蠕動運(yùn)動，還能幫助研究人員評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。那么與動態(tài)流體環(huán)境與之對應(yīng)的是靜態(tài)環(huán)境。

動靜處理兩者的區(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. 動態(tài)處理

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

   培養(yǎng)基中的納米顆粒或自由Lumogen® F Red 305化合物在流動條件下與球體接觸，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)無流體流動的環(huán)境，而動態(tài)處理則模擬了體內(nèi)的流體動力學(xué)條件，包括流體剪切力和流動對藥物遞送系統(tǒng)的影響。動態(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，尤其在動態(tài)條件下如何穿過黏液層進(jìn)入腫瘤內(nèi)部。

通過在納米顆粒中封裝熒光染料Lumogen® F Red 305 (LR)，研究人員能夠通過顯微鏡對這些納米顆粒的運(yùn)動進(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）在動態(tài)條件下展現(xiàn)出更優(yōu)異的滲透能力，能夠成功穿過黏液層滲透到腫瘤球體內(nèi)部。
    

     2. 動態(tài)流體對實(shí)驗(yàn)的影響

通過動態(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)流體流動顯著影響了納米顆粒的吸附和停留時(shí)間。在動態(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)還對細(xì)胞的存活率進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)無論在靜態(tài)還是動態(tài)條件下，納米顆粒對腫瘤球體的細(xì)胞存活率影響較小，表明該模型適合長時(shí)間的藥物篩選實(shí)驗(yàn)。
 

該模型的獨(dú)特優(yōu)勢

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

2. 減少動物實(shí)驗(yàn)：該系統(tǒng)能夠減少對動物實(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。它通過模擬體內(nèi)環(huán)境和動態(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，支持新藥開發(fā)。