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一种新的人体器官芯片揭示癌症如何侵入人体
现在可以使用实验室培养的骨、肺和血管组织来研究癌症向远处器官的扩散。当癌症不再局限于一个地方时，它就会变得更加危险。大多数癌症死亡不是由原始肿瘤引起的，而是由细胞脱落、穿过血流并在体内形成新肿瘤引起的。
来源:SciTech日报现在可以使用实验室培养的骨、肺和血管组织来研究癌症向远处器官的扩散。
当癌症不再局限于一个地方时，它会变得更加危险。
大多数癌症死亡不是由原发肿瘤引起的，而是由细胞脱落、穿过血流并在远处器官中形成新肿瘤引起的。这个过程被称为转移，是导致至少三分之二癌症死亡的原因。然而，尽管经过数十年的研究，专门用于预防或阻止转移进展的药物取得的成功有限。
一个主要障碍是缺乏预测性人体模型，使科学家能够观察这一过程的展开并确定是什么使特定器官变得脆弱。
动物研究已经揭示了许多关于癌症如何传播的信息，但啮齿动物生物学无法完全重现患者身上发生的情况。这些差异可能有助于解释为什么在实验动物中看似有希望的治疗方法在临床试验中却常常令人失望。
癌症传播的人类模型
哥伦比亚工程学院的研究人员现已开发出一种多器官芯片，可以重现转移最难以捉摸的阶段之一。该系统跟踪循环乳腺癌细胞离开血管并进入工程化的人体骨骼和肺组织。这项研究由哥伦比亚大学工程学教授 Gordana Vunjak-Novakovic 领导，发表在《科学转化医学》杂志上。
该芯片是同类中的第一个模型，包含独立的隔室，其中有毫米级的骨和肺组织，通过流动的血管通道连接。这种设计的作用不仅仅是将人体组织放置在癌细胞旁边。它使研究人员能够观察血液中的细胞与它们最终可能定居的器官之间的持续信号交换。
“开发人体转移组织模型的迫切需求一直是我们研究的关键动机，”哥伦比亚大学教授、Mikati 基金会生物医学工程教授兼医学科学教授（医学）Vunjak-Novakovic 说。 “我们的目标是探测癌细胞粘附和穿越内皮细胞（血管内壁）的能力，并确定它们通过细胞重编程和生态位重塑在其定殖的组织中生存的能力。”
癌症如何侵袭远处器官
到达另一个器官只是转移的开始。癌细胞必须附着在血管内壁上，穿过该屏障，逃避局部防御，并适应不熟悉的组织。只有这样它们才能繁殖并形成继发性肿瘤。这一阶段被称为器官定植，在患者体内直接观察或在动物体内准确复制非常困难。
转移也是选择性的而不是随机的。不同的癌细胞倾向于偏爱特定的器官，这种模式被称为“器官向性”。乳腺癌通常会扩散到骨骼和肺部等部位，因此这些组织对于测试芯片是否能够重现人体内的行为特别有用。
该平台还接受患者细胞和工程人体组织，为科学家提供了一种研究转移行为个体差异的方法。研究人员可以一次改变一种成分，检查器官特异性相互作用，并寻找可能成为新治疗靶点的分子途径。
构建骨骼、肺和血管
癌症奠定基础
临床前研究的新方向
DOI：10.1126/scitranslmed.adv6871
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“不幸的是，癌症非常聪明。我们了解了细胞如何跨越障碍从血液循环进入组织，”Vunjak-Novakovic 说。 “我们还能够重现患者身上发生的情况，癌细胞甚至在定植目标组织之前就对目标组织进行调节，使它们更容易接受。”
该团队利用诱导多能干细胞 (iPSC) 生产了骨、肺和血管内皮，这些细胞可以被引导发育成许多特殊的细胞类型。组织特异性支架和生物反应器帮助每个组织成熟，而单独的隔室提供了随着时间的推移保持其功能所需的条件。然后，血管循环将各室连接起来。
选择性渗透的内皮屏障将流动通道与器官组织分开，就像体内的血管壁一样。研究人员将乳腺癌细胞引入循环中，观察它们遇到屏障、穿过附近组织并建立独特的定植模式。
结果密切反映了细胞已知的偏好。通常扩散到骨骼的乳腺癌细胞会更强烈地在工程骨骼上定植，并产生更广泛的退化。对肺组织有亲和力的细胞对肺组织造成更大的损害，而在骨骼上的定居却很少。组织侵袭和分泌分子的差异表明该装置捕获了器官特异性转移的关键特征。
该芯片还再现了癌症扩散的一个更隐蔽的特征。在转移细胞完全占据远处器官之前，它们可以释放信号来改变其环境并使其更容易侵入。科学家将这种未来肿瘤位点的准备称为转移前生态位形成。
对两个组织区室的分析揭示了乳腺癌细胞在定植之前调节远处器官的证据。重建这种早期转变可以帮助研究人员研究在继发性肿瘤形成之前中断转移的机会。
“这种先进的转移模型的主要优点是它是人类的并且可以针对患者特定，”Vunjak-Novakovic 说。 “它忠实地模仿了人类转移的一些关键方面，否则这些方面基本上无法直接研究。”
Vunjak-Novakovic 领导着哥伦比亚干细胞和组织工程实验室，该实验室是微生理系统（通常被称为“芯片上的器官”）的早期开发商之一。这些小型人体组织平台旨在比传统细胞培养物在更真实的条件下模拟疾病和药物反应。
该项目还汇集了哥伦比亚大学赫伯特·欧文综合癌症中心的研究人员，其中包括克莱德和海伦·吴化学与系统生物学教授 Andrea Califano； Peter Sims，系统生物学副教授；哈尼娜·希布舒什 (Hanina Hibshoosh)，病理学和细胞生物学教授。
工程人体组织不是完全取代动物研究，而是可以填补重要的空白，并帮助科学家确定哪些发现最有可能转化为患者。该研究的主要作者之一、哥伦比亚大学工程博士生 Ilaria Baldassarri 表示，该平台展示了这种新兴方法如何在实践中发挥作用。
“随着 FDA 和 NIH 越来越重视新方法，这项研究是这种转变在实践中的具体例子，应用于癌症最具挑战性的标志之一：转移，”Baldassarri 说。
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参考文献：“人体组织转移模型中的器官特异性定植和生态位重塑”作者：Alan G. Chramiec、Ilaria Baldassarri、Ece Öztürk、Daniel Naveed Tavakol、Miranda C. Wang、Max Summers、Keith Yeager、Richard Z. Zhuang、Anushka Srivastava、Somnath Tagore、Diogo Teles、Hanina Hibshoosh、Andrea Califano、Peter A. Sims 和 Gordana Vunjak-Novakovic，2026 年 8 月 19 日，科学转化医学。这项研究由 NIH/国家癌症研究所和陈·扎克伯格倡议资助。