结直肠癌（CRC）是全球第三大常见癌症，约占所有癌症病例的 10%，也是癌症相关死亡的第二大原因。其固有的肿瘤异质性导致患者对化疗的反应存在显著差异，给临床治疗方案的选择带来极大挑战。

传统 2D 细胞培养模型因缺乏肿瘤微环境的 3D 结构及细胞-基质相互作用，难以准确反映结直肠癌对药物的真实响应；传统动物模型则存在物种差异、伦理争议、实验周期长及成本高等问题，无法满足高通量或个体化药物筛选需求。因此，亟需开发更先进、高通量且具生物模拟性的平台，以更精准地模拟肿瘤微环境，为结直肠癌的个性化化疗提供支持。

近期，温州医科大学附属第一医院沈贤教授、李力群教授、卞非卡副研究员等人开发了一种集成水凝胶微胶囊的微流控芯片系统，以实现基于原代结直肠癌细胞的 3D 肿瘤模型构建及化疗方案评估。该系统成功保留肿瘤异质性，且肿瘤球体对不同药物方案的敏感性与患者临床治疗结果高度一致，为结直肠癌患者个性化化疗方案的选择提供了有效方法。相关研究以“Primary colorectal cancer cells cultured in hydrogel microcapsules-integrated microfluidic chip for chemotherapy evaluation”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种集成水凝胶微胶囊的微流控芯片系统，用于基于原代 CRC 细胞的 3D 肿瘤模型构建及化疗方案评估。

2、该系统利用微流控电喷雾技术，将原代 CRC 细胞封装在具有羧甲基纤维素（CMC）核心和藻酸盐（ALG）外壳的水凝胶微胶囊中，形成均匀且有活力的肿瘤球体。

3、水凝胶微胶囊具有良好的生物相容性、稳定性和渗透性，能促进营养物质、氧气和代谢废物的交换，维持细胞活力和生长。

4、微流控芯片带有树状流体网络结构的浓度梯度发生器，可产生动态药物浓度梯度，实现高通量化疗方案评估。

5、通过免疫荧光检测，芯片中培养的肿瘤球体在多种标志物的表达和定位上与患者术后组织基本一致，保留了肿瘤的异质性特征。对 9 名 CRC 患者的肿瘤组织进行体外药物评估，发现肿瘤球体对不同化疗方案的敏感性与患者临床治疗结果高度一致。

6、该 3D 肿瘤球体模型和药物评估芯片为 CRC 患者个性化化疗方案的选择提供了有效方法。但目前系统缺乏免疫成分和血管结构，未来可通过整合免疫细胞、构建血管化芯片等增强模型的功能完整性和临床适用性。

图 1. 结直肠癌患者肿瘤细胞在水凝胶中的体外三维培养及微流控芯片药物方案评估示意图。

图 2. 羧甲基纤维素/藻酸盐微胶囊的制备。a）羧甲基纤维素/藻酸盐液滴形成的实时图像。b）在体视显微镜下观察到的羧甲基纤维素/藻酸盐微胶囊具有均一的核-壳结构。c）微胶囊放置 11 天后的荧光图像（i：第 1 天，ii：第 11 天）。将荧光聚苯乙烯纳米颗粒 L4655（绿色）混入藻酸盐溶液，L3280（红色）混入羧甲基纤维素溶液。d）扫描电子显微镜（SEM）图像：i）冻干微胶囊，ii）外壳微观结构，iii）切开的微胶囊，iv）核心微观结构。e）最优参数下微胶囊的整体尺寸分布，f）核心尺寸分布，g）外壳厚度尺寸分布。比例尺：（a）中为 300μm，（b、c）中为 200μm，（di、diii）中为 200μm，（dii、div）中为 5μm。

图 3. 结直肠癌水凝胶微胶囊的制备与表征。a）原代结直肠癌细胞提取及微流控电喷雾制备肿瘤微胶囊的示意图。b）原代结直肠癌微胶囊培养 1、3、6、11 天后的高倍显微镜图像。c）结直肠癌微胶囊培养 1、3、6、11 天后的活/死染色荧光图像。d）采用 CCK-8 检测试剂盒对结直肠癌微胶囊培养 1、3、6、9、11 天后的细胞增殖进行定量分析（每组 n=10）。e）第 11 天结直肠癌微胶囊的尺寸分布（n=100）。比例尺：（b、c）中为 100μm。

图 4. a）微流控浓度梯度形成芯片示意图。b）浓度梯度形成通道和 c）结直肠癌微胶囊培养室。d）接种细胞后的微流控芯片照片。e）结直肠癌微胶囊横截面的扫描电子显微镜图像和 f）肿瘤球体的微观结构。g）芯片培养室内结直肠癌微胶囊中肿瘤球体的活/死细胞染色激光共聚焦图像。h）植入芯片后 1、2、3 天结直肠癌球体活力的定量分析。i）微流控芯片中浓度梯度形成的软件模拟。设定两个入口的液体流速均为 0.1μL/min。左侧和右侧注入的初始药物浓度分别设为 1.0 和 0 mol/m³。j）用罗丹明 B 可视化芯片上浓度梯度形成过程的光学显微镜图像（左侧入口为 100μM 罗丹明 B，右侧入口为 PBS 溶液，设定两个入口的液体流速均为 0.1μL/min）。k）芯片各流体出口处罗丹明 B 的荧光强度值（测定吸收波长为 554nm，每组 n=3）。比例尺：（b、c）中为 500μm，（e）中为 20μm，（f）中为 5μm，（g）中为 100μm，（j）中为 2mm。

图 5. 结直肠癌肿瘤球体的免疫荧光图像：a）CK20 和 CD44，b）Villin 和 CD133，c）CD26 和 Ki67。a–c）比例尺均为 20μm。

图 6. 结直肠癌肿瘤球体对不同化疗策略的反应。a-c）分别为经 SN-38、5-FU、L-OHP 处理 72 小时后各组肿瘤细胞的活力。d-g）经以下处理后各组肿瘤细胞的活力：d）模拟 FOLFOX 方案的策略 4。e）模拟 XELOX 方案的策略 5。f）模拟 FOLFIRI 方案的策略 6。g）模拟 FOLFOXIRI 方案的策略 7。h-p）9 名患者的计算机断层扫描（CT）数据。h（i-viii）提供了患者 CCP1、CCP2、CCP3、CCP4、CCP6、CCP7、CCP8 和 CCP9 的 CT 图像，显示：术前原发肿瘤病灶；第五个化疗周期后吻合口和腹腔无肿瘤复发；第五个化疗周期后无肝转移。i）提供了患者 CCP5 的 CT 图像，显示：（i）术前原发肿瘤病灶。（ii）第五个化疗周期后吻合口无肿瘤复发。（iii）术前未检测到肝转移。（iv）第五个化疗周期后同一部位出现肝转移。（v）调整化疗方案三个周期后肝转移灶缩小。绿色箭头指示原发肿瘤病灶，蓝色箭头指示手术吻合口部位，红色箭头指示肝转移灶。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164173

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