3D打印微流控复合器官芯片构建及骨肉瘤肺转移机制研究

The tumor metastasis to lung is the leading cause of death in Osteosarcoma, and without clarified mechanism of metastasis and its drug resistance, the clinical treatment is thought to be lack of theoretical guidance. Therefore, the mechanism study of osteosarcoma lung metastasis is of great importance. However, existing experimental models can neither simulate the complicated structure features & functional characteristics in vivo, nor reconstitute tissue-tissue interactions & dynamic microenvironments, nor eliminate the difference between species etc., so that the test results cannot truly reflect the human body physical status. Therefore，the construction of composite osteosarcoma-pulmonary organ chip is proposed in this project, to simulate the real in-vivo microenvironments in which the organs exhibit their structural and functional characteristics, aiming providing effective experimental models. On this basis, we will study the dynamic process of growth, proliferation, migration and invasion of osteosarcoma, then to clarify the interactions & influencing factors between primary tumor & lung metastasis; Furthermore, we will validate and evaluate the therapeutic effect of anti-tumor drugs to osteosarcoma and its metastasis in the constructed organ chip, so as to provide theoretical guidance for clinical study and treatment.

骨肉瘤发生远端肺器官转移是引发癌症患者死亡的首要原因，但其转移和耐药机制尚不明确，临床治疗缺乏理论指导。因此，研究骨肉瘤肺转移机理意义重大。然而现有实验模型存在无法模拟体内复杂的组织结构特点和功能特征、不能重构组织-组织相互作用及动态微环境、无法消除物种之间的差异等问题，导致实验结果不能真实地反应人体内情况。因此，本项目提出构建骨肉瘤-肺复合器官芯片，接近真实的模拟体内微环境及器官组织结构和功能特征，为骨肉瘤的研究提供有效的实验模型。在此基础上，研究骨肉瘤的生长、增殖、迁移、侵袭等动态过程，筛选影响此过程的微环境参数，阐明骨肉瘤原发灶与肺转移灶之间的关系和影响因素，揭示骨肉瘤肺转移的关键机制；从而进一步验证和评估抗癌药物在构建的器官芯片中对骨肉瘤及骨肉瘤肺转移的治疗作用，为临床研究和治疗提供理论依据。

背景：骨肉瘤发生远端器官转移是引发患者死亡的首要原因，但其转移和耐药机制尚不明确，缺乏可靠的体外研究模型。研发高效的骨肉瘤肺转移仿生类器官、揭开影响肿瘤转移的关键理化因素及病理机制是本项目的关键科学问题。.研究内容：本项目构建了肿瘤原发灶、肿瘤细胞内渗以及跨血管肿瘤转移模型，实现骨肉瘤肺转移关键过程的体外模拟，发掘了骨肉瘤转移及耐药的潜在机制。开发了3D打印、液体活检、单分子成像、微量组学检测等一系列新方法，应用于肿瘤转移机制解析。.重要结果与数据：（1）构建了患者来源的血管化骨肉瘤类器官，初步确定骨肉瘤抗血管治疗继发耐药的可能机制，并筛选到关键信号通路（Art in science award, MicroTAS 2021）；（2）构建具备人工基底膜的骨肉瘤血管内渗及肺转移模型，发现基质金属蛋白酶在内渗过程中的重要作用，评估不同骨肉瘤的肺转移倾向（Outstanding Tissue or Organ on Chip Microsystems Poster Award，MicroTAS 2022）；（3）发展外泌体液体活检新方法，实现骨肉瘤患者血浆外泌体的捕获、富集和原位检测（Front Oncol., 2021）；（4）多项创新型技术研发，包括高精度生物3D打印技术、微量样品蛋白质组学检测、细胞原位代谢物监测、microRNAs的空间高分辨单分子荧光成像（Chem Sci., 2022；Anal. Chem., 2022a; Anal. Chem., 2022b; Chin. Chem. Lett., 2022）；（5）结合上述仿生系统的优势，重构生殖系统微环境，拓展了血管化器官芯片的应用（Biosens Bioelectron., 2022; Anal. Chem. 2023）。.研究意义与学术贡献：首先，构建的体外研究模型真实模拟体内肿瘤组织结构和功能特征，结合长时程追踪细胞-组织间沟通互作，监测微环境的动态变化，为研究肿瘤发生发展、侵袭转移及耐药机制提供更高效、可靠的新方案。其次，将不同类器官模块在芯片上高度集成，实现高转移潜能肿瘤的快速筛选和肿瘤转移能力评估，为药物的研发提供更精确的技术平台，为治疗策略的制定及早期风险诊断提供理论依据。最后，开发的微纳加工、检测新方法为解析肿瘤转移机制和挖掘治疗新靶点提供了关键技术支持。