新型扩散型中线胶质瘤芯片模型：重现肿瘤生物物理微环境，以评估对治疗的反应异质性

《Small》：Novel Diffuse Midline Glioma-on-Chip Recapitulating Tumor Biophysical Microenvironment to Assess the Heterogeneity of Response to Therapies

　　本研究开发了一种新型3D肿瘤微环境模型DMG-on-Chip（DoC），整合缺氧梯度和细胞外基质成分，实时监测细胞密度、氧水平及pH变化，揭示核心与外围细胞增殖、死亡及分子通路差异，并验证了ONC201和放疗的响应差异。该模型为DMG治疗研究提供了精准的预临床工具。

　　本研究聚焦于一种新型的医学工具——DMG-on-Chip（简称DoC），它通过模拟肿瘤微环境中的关键因素，如缺氧和细胞外基质（ECM）的结构，为评估抗肿瘤策略的有效性提供了全新的视角。长期以来，尽管在肿瘤学领域投入了大量资源，但许多潜在的药物在临床试验中未能显著改善患者的预后，尤其是对于儿童脑瘤——弥漫性中线胶质瘤（DMG）而言，这一问题尤为严峻。这种肿瘤的治疗仍然依赖于放疗，而放疗的疗效往往有限，尤其是在应对具有高度侵袭性和不良预后的DMG细胞时。因此，建立一个能够准确模拟肿瘤微环境并反映细胞对治疗反应的体外模型，成为当前研究的重要方向。

研究团队设计了DoC这一创新平台，将大量的细胞嵌入到三维的细胞外基质中，并通过微流控技术实现了细胞的径向供氧。这种设计不仅有助于构建与真实肿瘤环境相似的缺氧梯度，还为研究细胞在不同氧浓度下的表型变化、增殖能力和代谢特征提供了可能。同时，通过结合多种成像技术，如宽场相位对比显微镜和共聚焦荧光显微镜，研究人员能够实时观察细胞在DoC中的行为变化，并对细胞密度、细胞形态和细胞行为进行系统分析。此外，通过细胞分割技术，可以进一步揭示细胞对治疗的反应在空间上的异质性。

在构建DoC的过程中，研究人员选择了多种ECM成分，包括层粘连蛋白、胶原蛋白和透明质酸，以尽可能还原真实肿瘤的结构。其中，透明质酸的使用特别重要，因为它在文献中被描述为脑肿瘤中常见的成分。通过调整这些成分的比例，研究人员成功制备了一种具有合适机械特性的水凝胶，能够在实验条件下维持至少五天。此外，通过PDMS模具和隔板，研究人员实现了对水凝胶厚度的精确控制，为后续的实验操作提供了便利。

实验结果显示，当细胞密度增加时，DoC内部的氧浓度会迅速下降，尤其是在中心区域，氧浓度可以低至2%甚至更低，这与文献中关于DMG细胞在缺氧条件下的代谢重编程一致。这种氧浓度的下降还伴随着细胞的酸化现象，这进一步表明了细胞在低氧环境下的适应性变化。同时，通过基因表达分析，研究人员发现，DoC的中心区域与边缘区域在基因表达上存在显著差异，特别是在与缺氧相关的基因表达模式上。这些数据为理解DMG细胞对治疗的反应提供了重要的分子依据。

除了氧浓度的变化，研究人员还关注了细胞密度梯度对细胞机械压力的影响。通过使用荧光聚丙烯酰胺微球体，研究人员发现，在DoC中，随着细胞密度的增加，机械压力也随之升高，这可能影响细胞的增殖和死亡率。此外，通过分析细胞内的FAK（粘附斑激酶）的磷酸化水平，研究人员发现，边缘区域的细胞对机械刺激更为敏感，这与细胞密度的分布一致。这些结果表明，细胞在DoC中的行为不仅受到氧浓度的影响，还受到机械环境的调控。

为了进一步验证DoC在药物反应评估中的有效性，研究人员测试了多种药物，包括ONC201和放射治疗。ONC201是一种针对DMG的新型药物，能够通过干扰代谢和表观遗传通路来抑制肿瘤生长。实验结果显示，ONC201在DoC的边缘和中心区域均能引发一定程度的细胞死亡，但其在中心区域的效应更为显著。这表明，ONC201可能对缺氧环境下的细胞更具毒性。相比之下，放射治疗的效果则显示出一定的空间依赖性，某些区域的细胞对辐射更为敏感，而另一些区域则表现出较强的耐药性。

此外，研究人员还利用DoC评估了来自患者的原代细胞对治疗的反应。这些原代细胞在DoC中保留了其高度侵袭性的表型，并且在缺氧条件下表现出更明显的适应性。这一发现提示，原代细胞可能比细胞系更能反映真实的肿瘤微环境，从而为个性化治疗提供依据。然而，由于原代细胞的获取较为困难，且其扩增能力有限，因此需要进一步探索其在体外模型中的应用潜力。

综上所述，这项研究通过构建DMG-on-Chip这一创新平台，成功模拟了DMG肿瘤的微环境，并揭示了细胞在不同氧浓度和机械环境下的行为变化。研究不仅为理解DMG的生物学特性提供了新的视角，还为开发更有效的治疗策略奠定了基础。未来，研究人员计划进一步完善这一模型，以纳入更多细胞类型，如免疫细胞和脑组织中的其他细胞成分，从而更全面地评估治疗效果。同时，他们也期待通过结合新的代谢成像技术，进一步探索DMG细胞在不同微环境条件下的代谢变化，以揭示其潜在的治疗靶点。此外，研究团队还强调了对患者个体差异的关注，认为未来的治疗策略应基于对个体肿瘤微环境的深入理解，以实现更加精准的医学干预。