ScienceAdvances|器官芯片革新胰腺癌研究

　　 目前，胰腺癌患者確診后五年生存率還不到9%，因此胰腺癌也被稱為“癌中之王”。胰腺癌難治一個原因是在胰腺癌早期，癌細胞便能夠從其原發部位逃逸并轉移到身體其它部位。然而，令人疑惑的，胰腺腫瘤組織缺乏血管，而癌細胞往往需要通過侵襲血管來進行擴散。

　　近日，來自哈佛大學、波士頓大學和賓夕法尼亞大學的一項新研究終于揭開了這個謎團。利用胰腺癌和血管系統的體外和體內模型，研究人員發現胰腺癌細胞可以侵入附近的血管，破壞內皮細胞，并用腫瘤排列成的管道替換了血管內皮細胞。這一過程的發生是由胰腺癌細胞表面的ALK7和激活素(Activin)之間的相互作用驅動的，阻斷這一信號傳導途徑將為胰腺癌的治療提供一種新的方法。

　　該項研究表明治療胰腺癌之前“挽救”血管系統的重要性，因為癌細胞會破壞向轉移性腫瘤組織輸送藥物的唯一途徑。如果能夠開發一種針對ALK7活化素途徑的抑制劑，防止癌癥對血管內皮細胞的清除，就可以避免腫瘤組織中血管系統被破壞，進而更好的向患者腫瘤遞送藥物來抑制腫瘤生長，而已有的治療方案很難實現這一點。

　　研究胰腺癌和血管之間的相互作用會遇到很多障礙，因為這需要對癌癥患者進行多個、侵入性的組織活檢，如果是在小鼠模型中進行研究，成像技術將是個很大的挑戰。因此，研究人員采用了一種不同的方法——器官芯片。器官芯片是一種透明的、功能靈活的塑料芯片，大小相當于一個U盤，芯片內部有包被了膠原蛋白的微流體通道，可以讓活細胞附著，并可通過通道中不斷流動的培養基為細胞生長提供營養。

胰腺癌器官芯片示意圖。左圖為芯片橫切面，右圖為縱切面。紅色表示血管內皮細胞通道，綠色表示胰腺癌細胞管道。胰腺癌細胞可以通過兩個管道之間的膠原蛋白侵入內皮細胞管道

　　為了在芯片中構建研究胰腺癌和血管相互作用模型，研究人員在一個通道植入小鼠胰腺癌細胞，在另一個通道植入人體內皮細胞。大約四天后，胰腺癌細胞開始通過膠原基質向生長有血管的通道入侵，并最終侵入血管。在侵襲過程中，與癌細胞直接接觸的內皮細胞發生凋亡（細胞死亡），導致血管通道完全由癌細胞組成。他們在器官芯片和人類胰腺癌細胞的小鼠模型中也觀察到了同樣的結果，這表明這種現象在人類胰腺癌中也可能存在。

　　研究人員假設胰腺癌細胞清除內皮細胞的機制與TGF-β信號通路有關。TGF-β信號通路是一系列分子級聯反應，并與多種癌癥有關。他們將一種TGF-β抑制劑加入癌癥模型的器官芯片中，發現內皮細胞的清除明顯減少。相同的TGF-β抑制劑注入胰腺癌小鼠模型后，腫瘤組織具有更高的血管密度，這說明TGF-β抑制劑可以在體外和體內抑制胰腺癌細胞對內皮細胞的清除。

　　器官芯片模型中胰腺癌細胞侵入血管內皮細胞。綠色為胰腺癌細胞，紅色為內皮細胞，黃色虛線表示器官芯片的內皮細胞管道。i表示加入TGF-β抑制劑的內皮細胞管道。ii表示加入DMSO對照的內皮細胞通道

　　為進一步深入研究導致癌細胞清除內皮細胞的TGF-β受體，研究人員創造了一種共培養裝置，在其中胰腺細胞被內皮細胞包圍，如此便能直接研究兩種類型的細胞相互作用。最終，他們鑒定出了三個候選受體——ALK4、ALK5和ALK7。隨后，他們分別刪除了內皮細胞和胰腺癌細胞的三個受體的編碼基因。結果表明，只有從癌細胞中刪除ALK7才能顯著減少內皮細胞的清除，并減緩癌細胞的生長。

　　ALK7受體有兩個已知的配體，即Activin和Nodal，當研究人員將癌細胞暴露于這兩種配體化合物時，只有Activin減少了內皮細胞的清除，這表明ALK7和Activin之間的相互作用導致了胰腺癌的生長和轉移。隨后，研究人員敲除了癌細胞的ALK7基因，并構建了小鼠模型，結果進一步證實了這一點，小鼠體內腫瘤生長更慢，血管密度更高，凋亡的內皮細胞更少。

　　“我們的研究不僅揭示了胰腺癌轉移的重要機理，為新療法的發展提供了支撐。而且，血管與其它類型癌癥之間復雜的相互作用是胰腺癌生物學的關鍵所在，我們開發的芯片平臺為這方面的研究打開了一扇新的門。”共同第一作者Esak Lee博士說道。

　　目前，該團隊正在積極開發他們的器官芯片平臺，以進一步了解癌細胞與其它細胞相互作用，包括癌細胞和免疫細胞之間的相互作用，以及癌細胞和支持血管的血管周細胞之間的相互作用。

　　該研究通訊作者Chris Chen表示，“這項研究證明了3-D和2-D器官模型在疾病研究中的優勢，它可以在體外復制疾病狀態并可以精確的研究疾病的機理，這是傳統的體外和體內研究方法無法比擬的。我們現在進行的研究所接觸的只是淺層的，通過這個平臺，我們可以發現新的機制，這將為我們提供新的更好的治療方案。”

　　傳統治療方案往往靶向血管生成、免疫細胞或癌細胞本身，而該研究打破了傳統的思路，通過構建的器官芯片模型發現了新的靶點，對該靶點的阻斷可以防止胰腺癌細胞在血管中的定植以及進一步的轉移，有望將胰腺癌困在原發部位。同時，也保護了血管系統，使其它藥物更好的進入腫瘤組織中。