癌症研究人员已经认识到，通过在皮肤下注射癌细胞系在小鼠中产生人类肿瘤并不能概括肿瘤通常如何出现并扩散到人体内的特定器官，也不会重新评估它们对抗癌药物的反应。因此，他们转向将肿瘤细胞注射到它们起源于人类的器官部位，即所谓的“原位”部位。

原位肿瘤，例如通过将乳腺癌注射到小鼠的乳腺脂肪垫中而产生的肿瘤，表现出更像患者中所见的生长和转移行为，然而，这些器官环境仍然不是人类。在这些原位动物模型中，也无法可视化肿瘤细胞如何生长，移动和响应治疗，

据Cell Reports报道，由创始总监和Wyss核心教员Donald Ingber领导的Wyss生物启发工程研究所的团队现在利用其人体器官芯片技术来应对这一挑战。在之前的工作中，研究小组成功地模拟了两个不同的肺部区域 - 空气传导的小气道以及小气道尖端的氧气和二氧化碳交换肺泡 - 用微芯片制造方法制造的微流体装置。不同的肺细胞栖息在平行穿过芯片的两个微通道中的一个中，由在第二通道中由人肺内皮排列的微血管的薄多孔膜隔开。就像在人体肺部一样，由此产生的小气道上皮更厚，更硬，覆盖着移动的纤毛，而较薄的肺泡上皮更易渗透以实现有效的气体交换，并且它暴露于循环机械变形以模拟芯片中的呼吸运动。研究人员不断地将细胞培养基通过血管通道流动，以支持上皮和内皮细胞层数周，就像活肺中的血液流动一样。除了在芯片上设计这两个肺部区域的基本组织结构和功能外，该团队还表明他们可以成功模拟肺部疾病，包括慢性阻塞性肺病(COPD)，哮喘和肺水肿。研究人员不断地将细胞培养基通过血管通道流动，以支持上皮和内皮细胞层数周，就像活肺中的血液流动一样。除了在芯片上设计这两个肺部区域的基本组织结构和功能外，该团队还表明他们可以成功模拟肺部疾病，包括慢性阻塞性肺病(COPD)，哮喘和肺水肿。研究人员不断地将细胞培养基通过血管通道流动，以支持上皮和内皮细胞层数周，就像活肺中的血液流动一样。除了在芯片上设计这两个肺部区域的基本组织结构和功能外，该团队还表明他们可以成功模拟肺部疾病，包括慢性阻塞性肺病(COPD)，哮喘和肺水肿。

在这项新研究中，该团队使用这两种肺芯片开发了人类原位肺癌模型。大约85%的肺癌被诊断为非小细胞肺癌(NSCLC)，该团队专注于这种癌症的腺癌形式，大约占所有NSCLC的40%。在人体中，已知NSCLC腺癌细胞出现在肺的小气道和肺泡之间的界面处，但肿瘤则主要生长在肺泡结构内。

Ingber的团队表明，当NSCLC腺癌细胞在Lung Airway和Alveolus Chips中生长时，肿瘤细胞在微工程肺泡微环境中生长缓慢，而它们在气道芯片中保持静止，就像在人类患者中观察到的那样。“我们的肺癌片上平台可以实时和高分辨率模拟原位NSCLC的核心方面，并且比其他体内和体外方法更接近。他们提供了关于生物肿瘤复杂性的字面窗口，“Ingber说。Ingber还是HMS的Judah Folkman血管生物学教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程教授。

为了实现这一目标，研究人员开发了共同电镀和注射策略，使他们能够将少量NSCLC细胞稳定地整合到两个肺芯片中。“这种方法使我们能够重建这种癌症的关键标志，包括其生长和侵袭模式，并确定它们如何受到来自周围正常细胞的线索的影响。在气道癌症芯片中，癌细胞在它们开始生长之前保持休眠长达12天，而在肺泡癌芯片中它们开始更快地生长，并且一旦它们达到临界质量，它们就会分离并侵入内皮。他们的转移过程的一部分，“第一作者Bryan Hassell博士说，他是英格丽研究小组的SEAS研究生，开发了肺癌片上平台。

该小组接下来询问肺泡内的生理呼吸运动是否会影响癌细胞行为。令人惊讶的是，他们发现当循环机械力施加到肺上皮通道以模拟呼吸运动时，癌细胞生长和侵袭都被有效抑制。“这是第一次在任何体外系统模拟NCSLC行为中证明周期性呼吸运动对癌细胞生长和侵袭的明显影响，”Hassell说。研究人员认为，当肺癌细胞生长并填充患者的肺泡时，这会干扰其自然运动，从而加速肿瘤生长并促进侵入行为。

最后，他们通过调查呼吸机制是否会影响NSCLC细胞对临床使用的抗癌药物(称为酪氨酸激酶抑制剂(TKI))的敏感性，进一步采取了他们的方法。TKI靶向频繁突变的酶，如所谓的表皮生长因子受体(EGFR)，它可以释放NSCLC和其他癌症的无限制生长。因为早期的TKI在癌细胞通过产生新的EGFR变体而对它们产生抗性时会失去效率，癌症研究人员正试图设计更智能的TKI。然而，不断变形的癌细胞学会通过遗传重新布线自身来处理这些，以便它们可以激活替代的癌症机制。

重要的是，Ingber的研究小组发现，在肺泡癌芯片中，已经抵抗第一代TKI的NSCLC细胞仍然可以在没有呼吸运动的情况下通过第三代TKI在其轨道上冷却，这可能发生在大型肿瘤填充肺泡并停止运动。然而，在呼吸模式下，它们变得对药物不敏感并继续存活并缓慢生长，基本上产生癌症“持久性”细胞，已知它们是癌症疗法的克星。

研究人员还观察到细胞因子，参与细胞通讯的蛋白质水平，由上皮细胞，内皮细胞和癌细胞产生，并且已知是NSCLC的重要预后指标，反映了肺泡癌症中的癌症生长，并通过呼吸调节动作和药物治疗。“在我们的模型中，呼吸运动对癌细胞行为的影响可以解释肿瘤细胞如何在治疗后从萎缩的肿瘤中保留，可以成为持续细胞，能够无视药物治疗，徘徊并最终导致癌症复发。因此，我们的原位体外平台非常适合解剖这些持久性细胞如何产生，并且它们可能是未来药物开发工作的有用工具，旨在根除它们，“Ingber说。