腫瘤學(xué)的精準(zhǔn)醫(yī)療能夠?yàn)榘┌Y患者量身定制治療策略，并確保最佳預(yù)后。迄今為止，大多數(shù)精準(zhǔn)療法都是基于每個(gè)患者的基因突變位點(diǎn)設(shè)計(jì)，部分藥物對(duì)某些基因突變的患者產(chǎn)生最佳治療效果，但對(duì)發(fā)生其他突變的患者療效不佳甚至?xí)a(chǎn)生不良反應(yīng)。臨床數(shù)據(jù)表明，某種藥物對(duì)癌癥的治療過程有大量基因參與，基于基因的精準(zhǔn)醫(yī)療難以滿足患者需求。從患者活檢或腫瘤樣本中對(duì)原發(fā)性腫瘤細(xì)胞進(jìn)行藥物篩選可提供關(guān)于特定腫瘤藥物敏感性的直接信息，但活檢樣本的細(xì)胞數(shù)目有限（約5 × 10?個(gè)細(xì)胞），使得傳統(tǒng)的96微孔板藥物篩選愈發(fā)困難。雖然多次活檢可提供足夠的腫瘤細(xì)胞，但增加了癌癥轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)，也給患者帶來痛苦。培養(yǎng)原代腫瘤細(xì)胞能夠產(chǎn)生用于體外藥物篩選的足量細(xì)胞，但體外培養(yǎng)過程可能誘發(fā)子細(xì)胞基因突變，影響藥物篩選結(jié)果。

近年來，微流控技術(shù)已成為使用原代腫瘤細(xì)胞進(jìn)行藥物篩選的重要工具，且具有處理小樣本的能力。微流控有兩種主要類型：基于流動(dòng)的通道微流控和基于電的數(shù)字微流控（DMF）。基于通道微流控的藥物篩選中，鼻咽腫瘤、胰腺癌和乳腺癌等來自不同器官的人類原發(fā)性腫瘤樣本已被用于藥物敏感性測(cè)試。如Wong等開發(fā)了一種基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的液滴微流控平臺(tái)，用于對(duì)人類患者的原發(fā)性鼻咽腫瘤進(jìn)行藥物篩選。結(jié)果表明，原發(fā)性鼻咽腫瘤對(duì)不同藥物的敏感性不同。Eduati等開發(fā)了一種兩相Braille閥門微流控平臺(tái)，用于臨床胰腺癌活檢的組合藥物篩選。該團(tuán)隊(duì)為每個(gè)患者樣本確定出特定的有效藥物組合，但沒有任何一組藥物對(duì)所有患者都具有普遍療效，該系統(tǒng)的通量比其他微流控系統(tǒng)高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，上述所有通道微流控系統(tǒng)中用于樣品負(fù)載的長(zhǎng)連接管均導(dǎo)致了珍貴活檢樣品的浪費(fèi)。有研究報(bào)道，液滴中需要約100個(gè)活細(xì)胞，但沒有提到用藥物液滴中捕獲的細(xì)胞百分比。由于通道微流控的流速和壓力不穩(wěn)定，液滴在最初幾分鐘內(nèi)分布不均勻，通常會(huì)被丟棄。

為解決注射器和管路導(dǎo)致的吹掃體積問題，Werner開發(fā)了一種微流控液滴發(fā)生器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一系列集成氣動(dòng)邏輯電路控制的蠕動(dòng)泵組成，以避免試劑浪費(fèi)，但該系統(tǒng)制備過程繁瑣復(fù)雜。此外，醫(yī)生難以接受其笨重的配套設(shè)備和復(fù)雜的操作方案。考慮到活檢樣本有限，其在通道微流控檢測(cè)過程中的浪費(fèi)使其難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。相比之下，DMF系統(tǒng)可以精確控制單個(gè)液滴，以實(shí)現(xiàn)所有活檢細(xì)胞的有效應(yīng)用，且DMF可以在沒有泵或閥門的情況下進(jìn)行操作。此外，DMF技術(shù)有助于對(duì)單個(gè)樣品進(jìn)行自動(dòng)分析，設(shè)備占用空間更小。多個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)在DMF芯片上進(jìn)行原代細(xì)胞培養(yǎng)、單細(xì)胞培養(yǎng)或?qū)ι虡I(yè)癌細(xì)胞系或原代腫瘤細(xì)胞的藥物毒性測(cè)試等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索。Wheeler等開發(fā)了一種“倒置”模式，使用DMF在圖案化頂板上的虛擬微孔中培養(yǎng)原代細(xì)胞，并成功培養(yǎng)了從豬血管中分離出的主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞、主動(dòng)脈瓣內(nèi)皮細(xì)胞和從心臟瓣膜分離出的主動(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了一種用于單細(xì)胞藥物篩選的3D微觀DMF芯片，并證明IC50與在商業(yè)化乳腺腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞上獲得的IC50相當(dāng)。

然而，上述研究均使用癌細(xì)胞系或從器官中分離的原代細(xì)胞作為理論驗(yàn)證模型，且從器官模型系統(tǒng)中分離的原代細(xì)胞需要作為細(xì)胞系進(jìn)行多次傳代培養(yǎng)，理想情況下任何數(shù)量的細(xì)胞都可以通過培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)芯片上的藥物篩選。尚未使用DMF對(duì)未經(jīng)體外傳代培養(yǎng)的原發(fā)腫瘤細(xì)胞直接進(jìn)行藥物篩選（《10?），也不清楚體外藥物篩選能否幫助醫(yī)生了解個(gè)體患者對(duì)潛在有效藥物的不同體內(nèi)反應(yīng)。目前，臨床醫(yī)生迫切需要一個(gè)基于原發(fā)性腫瘤細(xì)胞藥物篩選的癌癥精準(zhǔn)醫(yī)療系統(tǒng)。

為解決上述挑戰(zhàn)，近期，研究人員開發(fā)了一種使用原代腫瘤細(xì)胞進(jìn)行藥物篩選的數(shù)字微流控系統(tǒng)，并建立了用于精準(zhǔn)醫(yī)療的工作流程。為了提高系統(tǒng)通量并減少其占用空間，研究人員開發(fā)了智能控制邏輯，以便在尺寸為4 × 4 cm2的芯片上同時(shí)篩選三種藥物。相關(guān)研究成果以“Drug screening on digital microfluidics for cancer precision medicine”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。澳門大學(xué)賈艷偉、北京科技大學(xué)姚海龍及中山大學(xué)易述紅為共同通訊作者。

用于癌癥精準(zhǔn)醫(yī)療的數(shù)字微流控藥物篩選示意圖

該研究利用MDA-MB-231乳腺癌異種移植小鼠模型和來自患者的肝癌標(biāo)本驗(yàn)證了該方法，并驗(yàn)證了篩選出的藥物對(duì)個(gè)體原發(fā)腫瘤小鼠/患者的有效腫瘤抑制作用。此外，研究結(jié)果顯示，乳腺癌異種移植小鼠模型中，芯片篩選結(jié)果為無效的藥物在給藥后無腫瘤抑制效果。此外，芯片篩選鑒定出的無效靶向藥物，與其治療后腫瘤細(xì)胞外顯子組測(cè)序相關(guān)基因沒有突變存在一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方案的可行性。因此，該技術(shù)可以推動(dòng)精準(zhǔn)癌癥醫(yī)療的發(fā)展，并可用于任何疾病的精確診療。

利用微流控芯片和MDA-MB-231乳腺癌異種移植小鼠模型進(jìn)行聯(lián)合藥物篩選

使用便攜式數(shù)字微流控（DMF）系統(tǒng)對(duì)5例肝癌患者進(jìn)行的4種臨床抗癌藥物的片上藥物篩選結(jié)果