CERO创新—微流控3D肠道肿瘤模型为纳米药物递送开辟新路径

2021年Linda Elberskirch等人于“Journal of Drug Delivery Science and Technology”发表了一篇微流控3D肠道肿瘤模型用于纳米药物的研究的论文。

在肠道肿瘤的治疗中，纳米颗粒药物递送系统为提升药物靶向性和治疗效果带来了新希望。然而，肠道的黏液层既是药物的障碍，也可能成为药物靶点。传统的二维细胞模型难以模拟纳米颗粒在复杂肠道环境中的行为，因此，科学家们迫切需要更真实的体外模型来模拟体内条件!! !

那么此刻“CERO 3D细胞类器官培养系统”，这款科研利器便发挥了极大的助力。CERO系统通过旋转培养方式生成了具有微绒毛和粘液层的3D肠道肿瘤球体，模拟了体内环境，提高了研究的生理相关性，为纳米颗粒药物递送的研究提供了一个更接近真实肠道肿瘤的体外模型。

紧接着这个肿瘤的体外模型参与了微流控3D肠道肿瘤模型的制备：

微流控3D肠道肿瘤球模型

为什么微流控3D模型如此重要？

研究者们引入了三维肿瘤球体模型。相比二维模型，三维肿瘤球体能更好地模拟体内肿瘤的结构。CERO系统通过旋转培养方式促进了HT29-MTX-E12细胞形成3D肿瘤球体。

CERO培养出3D肿瘤球

1. Corning球体微板培养5天培养出球体；

2. 球体被转到CERO培养管中，并在CERO系统中进行旋转培养产生肿瘤球。

这些球体模拟了肠道肿瘤的微观结构，包括活性外层细胞、中间层的静止细胞和坏死核心。

在CERO系统中，3D肿瘤球体表面能够形成微绒毛和粘液层，这些特征对于模拟肠道肿瘤的自然环境至关重要。微绒毛和粘液层的存在对于研究纳米颗粒的吸附和渗透能力非常重要，因为它们是肠道肿瘤表面的重要组成部分。

为了进一步提高模型的真实度和实验效率，研究人员通过微流控技术设计了一个动态流体环境。该系统不仅能够模拟肠道的流体流动和蠕动运动，还能帮助研究人员评估纳米颗粒在流体剪切力作用下的停留时间和渗透能力。那么与动态流体环境与之对应的是静态环境。

动静处理两者的区别是

1. 静态处理

   在第十天，将五个球体一批转移到24孔细胞悬浮多孔板中，并在静态条件下培养两天，直到它们形成了一个坏死核心。

   在静态条件下，将纳米颗粒或自由Lumogen® F Red 305化合物稀释在培养基中，与球体一起孵育3小时。

2. 动态处理

   球体被放置在微流控芯片系统中，并通过蠕动泵以100微升/分钟的速度循环培养基。

   培养基中的纳米颗粒或自由Lumogen® F Red 305化合物在流动条件下与球体接触，模拟了体内的流体剪切力。

总结

静态处理提供了一个无流体流动的环境，而动态处理则模拟了体内的流体动力学条件，包括流体剪切力和流动对药物递送系统的影响。动态处理因此更能反映药物在实际体内的分布和作用，有助于提高体外实验与体内实验结果的一致性。

纳米颗粒如何在该模型中进行测试的？

研究中，研究团队设计了两种不同类型的纳米颗粒

1. Carbopol®修饰的纳米颗粒（NP1-LR-CP）：用于研究纳米颗粒在肿瘤球体表面的粘附性。

2. Pluronic® F127修饰的纳米颗粒（NP2-LR-F127）：用于研究纳米颗粒的渗透性，尤其在动态条件下如何穿过黏液层进入肿瘤内部。

通过在纳米颗粒中封装荧光染料Lumogen® F Red 305 (LR)，研究人员能够通过显微镜对这些纳米颗粒的运动进行可视化。同时，利用高效液相色谱（HPLC）定量分析纳米颗粒的吸附和渗透性能，从而确定其在不同实验条件下的表现。

实验结果如何？

1. 吸附和渗透能力

   Carbopol®修饰的纳米颗粒（NP1-LR-CP）在静态和动态条件下表现出了更强的黏附性，尤其是在肠道肿瘤球体表面的吸附效果显著。

   Pluronic® F127修饰的纳米颗粒（NP2-LR-F127）在动态条件下展现出更优异的渗透能力，能够成功穿过黏液层渗透到肿瘤球体内部。

     2. 动态流体对实验的影响

通过动态微流控系统，研究人员模拟了肠道中的流体环境，发现流体流动显著影响了纳米颗粒的吸附和停留时间。在动态条件下，流体剪切力减少了纳米颗粒的停留时间，使得吸附量低于静态条件。这进一步验证了动态系统在模拟体内条件中的重要性，能够更好地预测药物在体内的表现。

      3. 细胞存活率分析

实验还对细胞的存活率进行了检测，发现无论在静态还是动态条件下，纳米颗粒对肿瘤球体的细胞存活率影响较小，表明该模型适合长时间的药物筛选实验。

该模型的独特优势

1. 高效模拟体内环境：微流控3D肿瘤球体模型能够动态模拟体内肠道的微环境，这在传统静态模型中是无法实现的。

2. 减少动物实验：该系统能够减少对动物实验的依赖，符合3R原则（替代、减少、优化）。

3. 灵活调整实验条件：研究人员可以根据需求灵活调整微流控系统的流体参数、纳米颗粒表面修饰材料等，适用于不同类型的药物递送研究。

未来应用前景

1. 微流控3D肠道肿瘤球体模型：药物筛选与靶向研究的新方向

   这个微流控3D肠道肿瘤模型不仅用于筛选药物，还为开发新的药物递送系统和靶向治疗提供了新思路。它通过模拟体内环境和动态流体，有望提高药物筛选效率，加速药物研发进程。

2. 纳米药物递送的优化与未来肿瘤研究的潜力

   该模型有助于研究纳米颗粒在体内的动作，提升药物传递效果，并可推广至多种肿瘤研究，支持新药开发。