癌癥具有難發現、治愈率低和愈后差等特點，已經成為全球第二大死亡原因。由癌細胞異質性引起的耐藥性和治療差異是癌癥治療效果不佳的主要原因。此外，利用基于二維（2D）培養的癌細胞進行藥物篩選忽略了體內腫瘤微環境的影響，無法準確評估藥物在體內的效果。因此，腫瘤細胞的單細胞分析和體外腫瘤模型的培養成為當下癌癥研究領域迫切需要解決的問題。液滴微流控技術經過數十年的發展，已經被廣泛用于單細胞分析和三維（3D）細胞培養，為腫瘤細胞的異質性分析和體外腫瘤球體培養提供了全新的強有力平臺。

近期，東南大學項楠教授課題組綜述了液滴微流控技術在當下癌癥研究中的最新進展和應用前景，相關成果以“Droplet Microfluidics for current cancer research: from single-cell analysis to 3D cell culture”為題發表在ACS Biomaterials Science & Engineering期刊上。文章第一作者為蔣林博士，通訊作者為項楠教授。

該綜述首先概述了液滴微流控的使能技術，包括單/雙乳液滴的生成及液滴的主/被動分裂、融合、混合、分選和捕獲。然后，系統地討論了液滴微流控技術用于單細胞的基因組學、轉錄組學、蛋白組學和代謝組學的異質性分析，并重點介紹了液滴微流控技術與微流控分選技術的結合在稀有循環腫瘤細胞單細胞分析中的應用。此外，論文討論了基于液滴微流控技術的無支架3D腫瘤球體培養，以及在液滴微流控技術中利用不同水凝膠以實現基于支架的3D腫瘤球體培養的策略。最后，論文討論了液滴微流控技術在癌癥研究領域的應用中存在的挑戰和發展前景。

圖1液滴微流控技術在癌癥研究領域的應用

圖2 液滴微流控技術用于癌細胞的研究：（a）單細胞CD-45轉錄組分析；（b）單細胞miRNA-21分析；（c）單細胞分泌的血管內皮生長因子分析；（d）單細胞分泌的堿性磷酸酶分析。液滴微流控技術用于稀有循環腫瘤細胞的研究：（e）結合基于抗體的細胞捕獲和聲學液滴技術實現稀有循環腫瘤細胞的基因組突變分析；（f）結合基于尺寸的細胞捕獲和階梯乳化實現稀有循環腫瘤細胞的基質金屬蛋白酶代謝分析。

圖3 液滴微流控技術用于無支架的3D腫瘤球體培養：（a）尤文肉瘤球體培養及耐藥性測試；（b）含有不同比例的MCF-7乳腺癌細胞和NIH-3T3成纖維細胞的腫瘤球體的培養及耐藥性測試。液滴微流控技術用于基于支架的3D腫瘤球體培養：（c）Alginate微膠囊封裝MCF-7乳腺癌細胞和HMF乳腺成纖維細胞實現3D腫瘤球體培養；（d）GelMA液滴用于血管支持的多細胞腫瘤球體培養；（e）agarose液滴用于腫瘤球體的長期培養、藥物灌注和按需提取；（f）集成芯片用于大批量腫瘤球體的長期培養。

綜上所述，液滴微流控技術以其低成本、高靈敏度、高通量的特點已經成為強大的單細胞分析和3D細胞培養平臺，為腫瘤細胞的異質性分析和體外腫瘤模型培養提供了全新的工具。盡管如此，液滴微流控技術在癌癥研究領域的進一步應用仍然存在一些挑戰和發展前景。

機器學習和人工智能的引入可以很好地解決目前液滴微流控芯片設計高度依賴研究人員經驗的情況。此外，結合人工智能賦能的圖像識別等無標簽檢測方式，可以拓寬基于液滴的單細胞分析范圍。另一方面，隨著快速微加工技術（例如3D打印技術）的發展，傳統軟光刻工藝所導致的長制造周期和成本高昂等問題也可以得到解決。通過開發具備良好的生物相容性且理化性質可控的水凝膠，可以更好的模擬體內腫瘤微環境實現體外腫瘤球體的培養。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.3c01866