目前，抗肿瘤药物的体外筛选仍旧面临一些挑战。在单细胞水平，需要最大限度的解析细胞异质性，从而解决不同细胞药物反应的差异。在类器官水平，需要最大限度的实现微环境仿真，解决体外与体内药物反应的差异。面对这些挑战，微流控芯片提供了很好的技术平台。
微流控芯片已被公认为细胞生物学研究的有利工具。将微流控芯片用于抗肿瘤药物筛选具有十分突出的优势。其微尺度结构便于实现静息细胞调控，高密度微结构便于实现高通量分析，同时微量流体控制便于模拟体内流体行为，通过对材料化学性质控制便于模拟体内微环境。
图1. 基于抗肿瘤药物组合筛选的微流控芯片[1]
联合用药通常被认为比单药策略更有效，其基本原理是使用不同机制起作用的药物，从而最大限度降低耐药癌细胞生长的可能性。当不同疗效的药物联合使用时，最理想的状态是每种药物均可按其最佳剂量使用，而不会产生不可接受的副作用。目前应用最广泛的测试方法就是体外细胞实验来验证有效的药物组合。为了找到最有效的药物组合，需要大量的实验来筛选各种药物浓度和药物组合。因此，建立高效便捷的高通量药物筛选系统是非常迫切的。
与传统的细胞分析系统相比，新兴的微流控芯片技术在高通量药物筛选方面展现出很大的优势。除了微流体的共通优势，包括高通量、低试剂消耗和潜在的整合性，微流体用于细胞药物检测的最具影响力的好处是在微尺度上重建细胞微环境的能力。一方面,微流控芯片促进从2D到3D细胞培养的转变,这是生物仿生模拟进程中的重要一步。另一方面,微流体技术可以精确地控制微米级通道中的流体，因此可能成为模拟血管的一个有价值的工具。
图2. 芯片重构肿瘤微环境[1]
大多数微流控细胞培养系统采用灌注系统。与毛细管系统大小相当的微通道内液体的灌注模拟了体内的流体行为。虽然先前发展的灌注微流体技术非常成功，但在流动条件下培养细胞仍存在一些挑战。首先，很难实时精确地控制和测量微通道内特定位置的pH值、氧和营养水平，因为这通常需要对每个设备进行仔细的验证实验和进料标准校准。其次，这些连续灌注细胞培养系统往往涉及高试剂消耗。第三，大多数灌注系统不能进行复杂的多步骤细胞检测实验。此外，灌注微流控系统需要多个管道连接和注射泵才能运行，这极大的增大了管路和连接部件的复杂性。面对这些问题，筛选潜在的联合用药对当前的微流控细胞培养系统提出了重大挑战。
针对上述局限性，本文提出了一种基于开放存取的细胞培养芯片设计方案。设计将细胞培养在开放存取的“蓄水池”中，可以同时或顺序加入不同的试剂或反应物质，提供稳定的细胞微环境。这种设计有利于细胞培养室内的介质交换，便于对细胞进行持续维护和监测。
该芯片包含一个纳米孔薄膜，该膜将具有介质储层的顶层与具有细胞培养室阵列的底层分隔开。一方面，纳米孔膜允许空气流动，但不允许液体流动，从而充当一个流量阀，使细胞自动分布;另一方面，它作为内皮层，允许基于扩散的介质交换，只需将细胞悬浮液注入细胞培养室阵列即可形成细胞培养阵列。通过类似于机械臂的移液枪可以实现药物测试过程中的多个步骤,整个过程可以以编程的方式实现自动操作。
正交筛选抗癌药物，验证了开放式微流体组织阵列系统的灵活性。正交设计是一种用于测试多种干预成分的比较有效性的实验设计，可以通过计算变量的响应来寻找最佳的实验条件。正交实验设计是一个强大的工具，控制单一变量以确定最佳的药物组合处方。采用开放获取的微流控组织阵列系统进行正交筛选，包括对乳腺癌细胞和肝细胞进行细胞活力检测，选择药物组合，以达到最大的杀伤效果，消除癌细胞，并使不良的脱靶效应最小化。
所研制的微流控芯片为细胞生长提供了适宜的环境。水凝胶作为三维细胞培养的支架;随着培养时间的延长，细胞会发生聚集也证实了这一点。形态学和免疫组化分析表明，在体内与微芯片上形成的肿瘤球体与肿瘤组织相吻合。已经证明，药物从血管输送到癌细胞的效率很低，这是由于氧气、营养物质、代谢物和信号分子的扩散分布有限造成的。因此，构建具有仿生扩散屏障的肿瘤组织是体外药物试验的关键。人工内皮层对于构建体外抗癌药物试验的仿生模型至关重要。在片上细胞培养环境中，三维细胞培养模拟实体肿瘤，纳米孔膜模拟内皮层。重组的肿瘤微环境保证了在仿生环境下进行药物检测。开放存取微流体组织阵列正交药物组合筛选。
如下图所示，当用主通道中的悬浮细胞灌注海藻酸盐溶液时，液体优先填充微室。因此，海藻酸盐溶液被依次填充在一系列的微室中。整个过程，形成细胞培养阵列仅仅需要约90秒，过量的液体随后被从主管道排出。与Ca2+接触后，海藻酸钠溶液凝胶成海藻酸钙水凝胶，作为支撑3D细胞培养的支架。
细胞接种后，检测细胞培养室的荧光密度。播种后，细胞随机分布于整个微室。荧光图像显示分散的单个肿瘤细胞进入微腔后仍保持完整的细胞膜。细胞不断增殖，形成大的细胞聚集体。细胞培养3天内细胞密度增加100%，细胞存活率保持在90%以上。激光共聚焦扫描显示乳腺癌细胞在微腔内形成小的聚集物。
通过正交筛选，不仅可以选择合适的药物组合，而且可以进行简化试验。通过正交试验设计，节省了67%的试验。因此，采用开放入口微流控组织阵列系统进行正交筛选，可显著提高药物检测的效率。
图7. 应用于正交筛选选择合适的药物组合[1]
本文介绍了利用开放存取微流体组织阵列系统对抗癌药物进行正交筛选的方法。所开发的微流控芯片具有以下特点：(1)易于通过液体自动分配形成组织阵列；(2)重组肿瘤组织，在仿生环境下进行药物检测；(3)具有复杂多步液体操作的可行性和方便性。
展望未来，微流控芯片在药物筛选方面的贡献将有巨大发展前景。三维细胞培养与微流控网络在微芯片上的结合，为基于活组织的应用提供了巨大的潜力，如新兴的器官芯片系统已经在药物筛选工作中展现出强大的优势。
参考文献
1. Lin, D.; Li, P.; Lin, J.; Shu, B.; Wang, W.;Zhang, Q.; Yang, N.; Liu, D.; Xu, B., Orthogonal Screening of Anticancer DrugsUsing an Open-Access Microfluidic Tissue Array System. Anal Chem 2017, 89, 11976-11984.
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