单细胞微流体芯片筛选技术分离和培养肿瘤干细胞

受早期胚胎发育结构的启发，何晓明教授和王海研究员利用微流体器件制备“核-壳”结构微球，将单个肿瘤细胞培养在纳米级水凝胶形成的核中，筛选到极少量具有高度成瘤能力和分化能力的肿瘤干细胞，通过生物学特性分析筛选到多个潜在治疗靶点。

关键词：单细胞筛选，肿瘤干细胞，微流体，治疗靶点

肿瘤干细胞（cancer stemcell）是肿瘤异质性群体中具备分化功能和成瘤能力的一类细胞，由于其具有极强的耐药性，被认为是肿瘤复发和转移的主要元凶之一。虽然肿瘤干细胞对于肿瘤的治疗非常重要，但是人们对肿瘤干细胞的生物学特性却了解甚少。传统的表面标志物分离或者悬浮培养方法都存在一定的缺陷，如利用不同表面标志物分离同一种肿瘤干细胞，获得的细胞群体的重合度却非常低；悬浮培养方法本身促进肿瘤细胞凋亡的程度有限等。因此，如何在大量的肿瘤异质性群体中分离少量肿瘤干细胞并在培养过程中维持其细胞干性是肿瘤干细胞研究领域的一大难点。

国家纳米科学中心王海研究员和美国马里兰大学何晓明教授针对这一问题进行了长期的研究，依靠肿瘤干细胞可以单细胞存活和增值的特性，利用微流体器件制实现了单细胞包载和培养。通过这种“label-free”的方法，分离到肿瘤细胞群体中极少量可以单细胞存活的细胞群体。受早期胚胎发育结构的启发，该研究团队制备了“核-壳”结构微球模仿早期胚胎的结构，从而培养过程中尽量维持肿瘤干细胞的干性。通过RNA-Seq测序分析、激光共聚焦荧光成像、流式细胞分析等手段，确认分离培养的细胞群体，相对于传统的悬浮培养方法，具有更高的干性基因表达、更强的DNA修复能力和抗凋亡能力、更强的耐药性和较慢的细胞增值速率。进一步分析显示，单细胞技术分离培养的细胞群体在内皮细胞分化、心肌分化、成骨分化和神经分化过程中，可以表现出更强的分化能力，证明其干细胞特性。同样在连续三代的小鼠成瘤实验和转移瘤实验中，分离培养的细胞群体具有更强的成瘤能力和转移能力，显示肿瘤干细胞在肿瘤发生、发展中的重要作用。最后，针对肿瘤干细胞难治疗的现状，研究团队也详细分析了肿瘤干细胞生物学特性，提出了一系列潜在的治疗靶点，为肿瘤干细胞的治疗提供新的解决方案。

相关结果发表在AdvancedScience  (DOI: 10.1002/advs.202000259)上，国家纳米科学中心王海研究员和美国马里兰大学何晓明教授为文章的共同通讯作者。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000259

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