2021年Linda Elberskirch等人于“Journal of Drug Delivery Science and Technology”發表了一篇微流控3D腸道腫瘤模型用于納米藥物的研究的論文。

在腸道腫瘤的治療中，納米顆粒藥物遞送系統為提升藥物靶向性和治療效果帶來了新希望。然而，腸道的黏液層既是藥物的障礙，也可能成為藥物靶點。傳統的二維細胞模型難以模擬納米顆粒在復雜腸道環境中的行為，因此，科學家們迫切需要更真實的體外模型來模擬體內條件!! !

那么此刻“CERO 3D細胞類器官培養系統”，這款科研利器便發揮了極大的助力。CERO系統通過旋轉培養方式生成了具有微絨毛和粘液層的3D腸道腫瘤球體，模擬了體內環境，提高了研究的生理相關性，為納米顆粒藥物遞送的研究提供了一個更接近真實腸道腫瘤的體外模型。

緊接著這個腫瘤的體外模型參與了微流控3D腸道腫瘤模型的制備：
 

微流控3D腸道腫瘤球模型

為什么微流控3D模型如此重要？
研究者們引入了三維腫瘤球體模型。相比二維模型，三維腫瘤球體能更好地模擬體內腫瘤的結構。CERO系統通過旋轉培養方式促進了HT29-MTX-E12細胞形成3D腫瘤球體。

CERO培養出3D腫瘤球

1. Corning球體微板培養5天培養出球體；

2. 球體被轉到CERO培養管中，并在CERO系統中進行旋轉培養產生腫瘤球。

這些球體模擬了腸道腫瘤的微觀結構，包括活性外層細胞、中間層的靜止細胞和壞死核心。

在CERO系統中，3D腫瘤球體表面能夠形成微絨毛和粘液層，這些特征對于模擬腸道腫瘤的自然環境至關重要。微絨毛和粘液層的存在對于研究納米顆粒的吸附和滲透能力非常重要，因為它們是腸道腫瘤表面的重要組成部分。

為了進一步提高模型的真實度和實驗效率，研究人員通過微流控技術設計了一個動態流體環境。該系統不僅能夠模擬腸道的流體流動和蠕動運動，還能幫助研究人員評估納米顆粒在流體剪切力作用下的停留時間和滲透能力。那么與動態流體環境與之對應的是靜態環境。

動靜處理兩者的區別是

1. 靜態處理

   在第十天，將五個球體一批轉移到24孔細胞懸浮多孔板中，并在靜態條件下培養兩天，直到它們形成了一個壞死核心。

   在靜態條件下，將納米顆粒或自由Lumogen® F Red 305化合物稀釋在培養基中，與球體一起孵育3小時。

2. 動態處理

   球體被放置在微流控芯片系統中，并通過蠕動泵以100微升/分鐘的速度循環培養基。

   培養基中的納米顆粒或自由Lumogen® F Red 305化合物在流動條件下與球體接觸，模擬了體內的流體剪切力。

總結
靜態處理提供了一個無流體流動的環境，而動態處理則模擬了體內的流體動力學條件，包括流體剪切力和流動對藥物遞送系統的影響。動態處理因此更能反映藥物在實際體內的分布和作用，有助于提高體外實驗與體內實驗結果的一致性。

納米顆粒如何在該模型中進行測試的？
研究中，研究團隊設計了兩種不同類型的納米顆粒
 

1. Carbopol®修飾的納米顆粒（NP1-LR-CP）：用于研究納米顆粒在腫瘤球體表面的粘附性。

2. Pluronic® F127修飾的納米顆粒（NP2-LR-F127）：用于研究納米顆粒的滲透性，尤其在動態條件下如何穿過黏液層進入腫瘤內部。

通過在納米顆粒中封裝熒光染料Lumogen® F Red 305 (LR)，研究人員能夠通過顯微鏡對這些納米顆粒的運動進行可視化。同時，利用高效液相色譜（HPLC）定量分析納米顆粒的吸附和滲透性能，從而確定其在不同實驗條件下的表現。

實驗結果如何？

1. 吸附和滲透能力

   Carbopol®修飾的納米顆粒（NP1-LR-CP）在靜態和動態條件下表現出了更強的黏附性，尤其是在腸道腫瘤球體表面的吸附效果顯著。

   Pluronic® F127修飾的納米顆粒（NP2-LR-F127）在動態條件下展現出更優異的滲透能力，能夠成功穿過黏液層滲透到腫瘤球體內部。
    

     2. 動態流體對實驗的影響

通過動態微流控系統，研究人員模擬了腸道中的流體環境，發現流體流動顯著影響了納米顆粒的吸附和停留時間。在動態條件下，流體剪切力減少了納米顆粒的停留時間，使得吸附量低于靜態條件。這進一步驗證了動態系統在模擬體內條件中的重要性，能夠更好地預測藥物在體內的表現。

      3. 細胞存活率分析

實驗還對細胞的存活率進行了檢測，發現無論在靜態還是動態條件下，納米顆粒對腫瘤球體的細胞存活率影響較小，表明該模型適合長時間的藥物篩選實驗。
 

該模型的獨特優勢

1. 高效模擬體內環境：微流控3D腫瘤球體模型能夠動態模擬體內腸道的微環境，這在傳統靜態模型中是無法實現的。

2. 減少動物實驗：該系統能夠減少對動物實驗的依賴，符合3R原則（替代、減少、優化）。

3. 靈活調整實驗條件：研究人員可以根據需求靈活調整微流控系統的流體參數、納米顆粒表面修飾材料等，適用于不同類型的藥物遞送研究。

未來應用前景

1. 微流控3D腸道腫瘤球體模型：藥物篩選與靶向研究的新方向

   這個微流控3D腸道腫瘤模型不僅用于篩選藥物，還為開發新的藥物遞送系統和靶向治療提供了新思路。它通過模擬體內環境和動態流體，有望提高藥物篩選效率，加速藥物研發進程。

2. 納米藥物遞送的優化與未來腫瘤研究的潛力

   該模型有助于研究納米顆粒在體內的動作，提升藥物傳遞效果，并可推廣至多種腫瘤研究，支持新藥開發。