一种集成的气动操作和化学梯度生成器的微流控3D肿瘤系统，以用于平行、可控、动态和高通量的抗癌治疗研究。
Introduction
尽管有不少报道的微流控芯片系统，可以对细胞和分子活性进行测定，对实时和高通量肿瘤分析十分有用。然而，尚未实现各种微流控组件的多功能集成（即将微腔室/通道与并行化学梯度生成器和活性肿瘤操纵单元集成在单个设备中）。
作者提出了一种集成了化学浓度梯度生成器和气动微结构（PμS）阵列的微流控平台，用于高通量3D肿瘤操作和分析，以及涉及多种药物浓度的、同时的抗肿瘤研究。
Fig. 1 Integrated microfluidic 3D tumor platform
- （A）有着化学梯度生成器和培养室与PμS阵列组成的肿瘤控制单元微流控芯片。
- （B）实际的微流控装置照片（左）。右边的照片展示了对应于小室的PμS阵列。
- （C）装置组成（从顶部到底部分四层：流体、控制、支持和载玻片层）。
Fig. 2 Microfluidic chemical concentration gradient generation
- （A）1 μL min-1流速下，装置中形成的化学梯度的数值模拟。
- （B）在不同的灌注时间（0.5到4天），化学梯度的定量展示。O1到O5与（A）相对应。
- （C）1 μL min-1流速下，使用罗丹明B（rhodamine B）辅助可视化装置中产生化学梯度的荧光图像。
Fig. 3 Microfluidic cell localization
- （A）U251细胞捕获阵列的光学图像。
- （B）对应于（A）的PμSs中捕获细胞的荧光图像。肿瘤细胞用DiI（红色）预染以追踪细胞。
- （C）不同装载时间（1、5、10、15、20和30 min）下，基于PμS的细胞捕获。
- （D）捕获细胞数。小室1到5缩写为C1-C5。
Fig. 4 Microfluidic 3D tumor cultivation and production
- （A）培养10天后，驱动的PμSs中阵列样的U251肿瘤。
- （B）被FDA/PI染色的肿瘤以展示活/死细胞的荧光图像。
- （C-D）定量评估培养期间U251肿瘤的大小和形状。
- （E）培养10天装置中肿瘤尺寸分布。
Fig. 5 Monitoring of the response dynamics of 3D tumors to treatments with VNR at various concentrations (low gradient dose: 0, 0.5, 1, 1.5, and 2 μg mL-1; high gradient dose: 0, 5, 10, 15, and 20 μg mL-1)
- （A）4天不同浓度的VNR处理的U251肿瘤的细胞死亡。死亡细胞（红色）用PI标记。
- （B）用不同浓度VNR处理的肿瘤尺寸动力学。
- （C）VNR对芯片上的3D培养肿瘤和芯片外的2D培养肿瘤的治疗效率（如肿瘤杀伤）。
Fig. 6 Caspase-3 activation of cells in U251 tumors treated with various concentrations of VNR (low dose: 0, 0.5, 1, 1.5, and 2 μg mL-1; high dose: 0, 5, 10, 15, and 20 μg mL-1)
- （A）1和10 μg mL-1浓度的VNR处理的肿瘤中caspase-3+细胞的荧光图像。
- （B）低剂量VNR刺激，肿瘤中caspase-3+细胞比例。
- （C）高剂量VNR刺激，肿瘤中caspase-3+细胞比例。
Conclusion
- 可以方便的整合下游培养室的化学梯度生成器的稳定结构，通过计算和试验得到确认。
- 进行了包括细胞定位、肿瘤培养、梯度生成和在线分析等微流控操作。
- 多浓度的药物响应试验。
Reference
Liu W, Liu D, Hu R, et al. An integrated microfluidic 3D tumor system for parallel and high-throughput chemotherapy evaluation[J]. Analyst, 2020, 145(20): 6447–6455.
