微缩战场！在毫米级芯片上，我们能否洞悉CAR-T细胞与实体瘤的生死对决？

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Nature Biotechnology：微缩战场！在毫米级芯片上，我们能否洞悉CAR-T细胞与实体瘤的生死对决？
6 T9 I. W1 @, g3 @来源：生物探索 2025-10-22 09:42  u9 ]. R  ?1 I0 u3 W, W# f
本研究在一个小小的芯片上，成功构建了一个带有血管、能够被灌注的“活”的人类肿瘤模型。
: k$ f( Y  G9 x% y2 a& o在现代肿瘤治疗的武器库中，CAR-T细胞疗法（Chimeric Antigen Receptor T-cell Immunotherapy）无疑是一柄耀眼的“神兵利器”。它将患者自身的免疫T细胞改造成能够精准识别并猎杀癌细胞的“生物导弹”，在白血病、淋巴瘤等血液恶性肿瘤的治疗中取得了革命性的成功，一次输注，便能让许多濒临绝境的患者重获新生。7 E  G( `) R, f: P, K7 \  \+ |- P$ y; B
然而，这柄神兵在面对占据了所有癌症死亡人数90%以上的实体瘤（Solid Tumors）时，却屡屡受挫，锋芒大减。为何所向披靡的“活体药物”会陷入泥潭？这背后隐藏着复杂的生物学难题。
' m$ Z! d# o/ L/ u为了解开这些谜团，加速实体瘤CAR-T疗法的研发，研究团队开发出一种巧妙的微生理系统。他们在一个小小的芯片上，成功构建了一个带有血管、能够被灌注的“活”的人类肿瘤模型。这项名为 “A tumor-on-a-chip for in vitro study of CAR-T cell immunotherapy in solid tumors” 的研究成果，于10月17日发表在了《Nature Biotechnology》上，为我们提供了一个前所未有的窗口，去实时、高分辨率地观察这场发生在微观世界里的激烈战争。
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( t* I- q2 O+ S9 I$ H& c固若金汤的堡垒：CAR-T细胞为何在实体瘤面前止步？3 X! V* ?' I* b: T& v
CAR-T细胞可以比作是一支精锐的特种部队，它们的目标是摧毁隐藏在人体组织深处的敌军（癌细胞）指挥部。在血液肿瘤中，敌人是散兵，漂浮在“血液的河流”里，CAR-T部队可以轻易地找到并消灭它们。
" \; S1 D* z& }: ^' v但在实体瘤中，情况截然不同。癌细胞们聚集在一起，构建了一座结构复杂、防御严密的“堡垒”，这就是所谓的肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）。这座堡垒至少设有三道坚固的防线：3 @% U  t2 h: l- _) N
第一道，物理屏障。 实体瘤周围的基质致密，像沼泽和丛林一样阻碍CAR-T细胞的行进。更重要的是，肿瘤内部的血管网络（Tumor Vasculature）往往混乱不堪、功能失常，这使得CAR-T细胞难以通过“公路系统”顺利抵达战场核心。它们甚至可能根本无法从血管中“下车”，这个过程被称为外渗（Extravasation）。
' @7 {8 ^6 y- g) a) W6 F第二道，化学迷雾。 肿瘤微环境充满了各种免疫抑制信号分子，如同释放的化学烟雾弹。这些信号会麻痹、耗竭前来攻击的CAR-T细胞，使其丧失战斗力，陷入一种被称为“功能耗竭（Exhaustion）”的状态。
' M# E* N/ @2 b9 R% P2 T第三道，伪装与潜伏。 实体瘤细胞表面的靶点抗原（Target Antigen）常常分布不均，甚至有些癌细胞会“脱下军装”，完全不表达靶点，从而逃脱CAR-T细胞的识别。3 L# \$ K% X% R- Z; P
传统的体外（in vitro）研究，如在培养皿中将CAR-T细胞与癌细胞混合，完全无法模拟这种复杂的“堡垒”结构。而动物模型（in vivo models）虽然能提供全身性的环境，但它们成本高昂、周期漫长，并且由于物种差异，其结果往往难以完全预测在人体中的反应。我们迫切需要一个能更好地连接两者、既能模拟人体复杂性又能实现精确控制和观察的模型。这正是“肿瘤芯片（Tumor-on-a-chip）”技术诞生的契机。& @. m5 \, C4 `# C1 ]! ~& z, U( x
方寸间的“虚拟战场”：如何在一枚芯片上重建肿瘤？
6 ^6 j: k; M. E1 v) c4 x( g* P这项研究的核心，就是在一个透明的、邮票大小的聚合物芯片上，微缩并重建一个功能性的人类肿瘤生态系统。研究人员的设计非常巧妙，他们并非简单地将细胞堆砌在一起，而是通过微流控技术（Microfluidics）引导细胞自发地“生长”成一个有生命的组织。
" ]# w5 L' B) |2 g+ F5 E8 w第一步：构建“血管化的土壤”。 芯片中间是一条主培养通道，两侧有两条平行的侧通道。研究人员首先在主通道中注入一种含有人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人肺成纤维细胞（Human Lung Fibroblasts）的纤维蛋白水凝胶。这就像播撒下血管和基质的“种子”。在接下来的14天里，这些细胞会自发地组织起来，形成一个复杂、中空、相互连接的三维血管网络。这个过程被称为血管生成（Vasculogenesis）。通过荧光显微镜，我们可以清晰地看到，血管的总分支长度从第2天的约10毫米（mm）增长到第14天的约60毫米，血管的平均直径也稳定在20微米（µm）左右，形成了一个成熟的微血管系统。3 h! V* M- G+ L  v/ z
第二步：移植“肿瘤种子”。 在血管网络构建完成后，研究人员通过芯片顶部的微小开孔，将来自患者或异种移植模型（Cell line-derived Xenograft, CDX）的微小肿瘤组织块（约100-400微米）“移植”到血管化的水凝胶中。这些肿瘤块就像被空投到战场上的“敌军据点”。
8 r& ]/ J5 |) k0 l& h& u  r第三步：整合与生长。 奇妙的事情发生了。移植后的肿瘤组织并非孤立存在，周围的血管网络会主动向其延伸，在9天内逐渐包裹、甚至侵入肿瘤内部。通过三维重构图像，我们可以看到工程化的微血管紧密地缠绕在肿瘤表面，并有分支穿透其中，完美地模拟了肿瘤血管化的过程。此时，如果我们从一侧的通道灌注含有荧光微珠的液体，就能看到这些微珠顺畅地流过整个血管网络，包括那些深入肿瘤的血管，证明这个微缩的肿瘤已经拥有了“血液供应”。* c7 w( j; |+ h/ P& L2 d
至此，一个活的、可灌注的、可视化的“芯片上肿瘤”模型便构建完成了。它不仅包含了肿瘤细胞，还有构成肿瘤微环境关键部分的基质细胞和功能性血管。更重要的是，整个系统是高度可控的，研究人员可以精确地调整移植肿瘤的大小、位置、类型甚至移植时间，为后续的实验提供了极大的灵活性和可重复性。  {$ j: O9 Y% l* }7 n2 r; A
沙盘推演：在芯片上预演CAR-T细胞的立体战争
: H5 K! j) g6 t- g战场已经搭建完毕，现在是时候派遣我们的“特种部队”，CAR-T细胞了。研究人员设计了一场经典的“红蓝对抗”演习，以验证这个模型的实战价值。/ e+ R* a. X. N/ W( d$ a
他们使用的“蓝色部队”是靶向间皮素（Mesothelin）的CAR-T细胞（meso-CAR-T）。间皮素是一种在多种实体瘤（如肺腺癌、间皮瘤）中高表达的蛋白质。而“红色部队”则是携带间皮素靶点的A549肺腺癌细胞构建的肿瘤（meso-tumors）。作为对照，“中立部队”是不表达间皮素的野生型A549肿瘤（control tumors）。
  _8 z% t0 D3 x- G0 X  o当meso-CAR-T细胞被灌注到芯片的血管网络中时，一场惊心动魄的微观战斗被实时记录了下来：
" I9 {( _, ]4 B4 q% W7 `第一阶段：锁定与登陆。 在含有meso-tumors的芯片中，CAR-T细胞迅速在肿瘤相关的血管壁上“靠岸”并牢固附着。它们沿着血管内壁爬行、聚集，寻找突破口。而在对照组的芯片中，这种附着现象则微乎其微。这表明，CAR-T细胞的“登陆”行为是由肿瘤靶点特异性介导的。
# z) C' Y; D: ?! m% x9 q第二阶段：渗透与突袭。 在附着后的24小时内，研究人员通过延时摄影捕捉到了关键的一幕：单个的CAR-T细胞从紧密的内皮细胞间隙中挤过，成功“外渗”到血管外的肿瘤基质中，然后开始向着肿瘤核心区域定向迁移。这个过程直观地再现了CAR-T细胞穿越血管屏障的完整步骤。1 @6 D9 S( r: [# Z# P' [" U
第三阶段：集结与围攻。 在接下来的6天里，meso-tumors内部和周围的CAR-T细胞数量持续增加，形成密集的浸润。定量分析显示，在第6天，浸润到meso-tumors内部的CAR-T细胞比例，比在对照肿瘤中高出约8倍。相应地，meso-tumors的生长被有效抑制，其面积基本保持不变；而对照肿瘤则在CAR-T细胞的“监视”下继续不受控制地疯长。
0 n+ {8 }- K# r# Q. {战争的“生化报告”： 不仅是形态上的变化，研究人员还检测了芯片流出液中的“战争信号”。在meso-tumor组中，代表T细胞活化的细胞因子，如白细胞介素-2（IL-2）和干扰素-γ（IFN-γ）的水平显著升高。同时，肿瘤细胞凋亡的标志物，如Caspase-3的表达和乳酸脱氢酶（LDH）的释放量也明显增加。这些数据从生化层面证实了CAR-T细胞在靶向肿瘤中被成功激活，并发挥了强大的细胞毒性功能。9 v$ E& r2 \% F" k6 G7 c
更有趣的是，当研究人员将战斗结束后的整个组织块从芯片中完整取出并进行组织学切片时，他们看到了与临床样本中观察到的现象高度相似的场景：在meso-tumors中，大量的CD8+ T细胞（杀伤性T细胞）深度浸润，肿瘤组织呈现出破碎化的状态；而在对照肿瘤中，CD8+ T细胞大多被“隔离”在肿瘤边界，无法进入核心，这正是临床上常见的“T细胞排斥（T-cell exclusion）”现象。9 l6 p9 I1 W/ j1 U  [
这场在芯片上的“沙盘推演”证明，该模型成功地复现了CAR-T细胞在实体瘤中发挥作用所需的全链条关键步骤：从血管巡航、识别靶点、穿越血管，到浸润肿瘤、激活并杀死癌细胞。
' [+ W  B/ ~9 I4 f& D深度侦察：单细胞测序揭示T细胞的“战时状态”
2 ?/ S1 P8 W" ~仅仅看到战斗的胜负是不够的，一位优秀的指挥官还需要了解士兵们的内心状态和装备变化。为了深入探究CAR-T细胞在战斗中的动态变化，研究人员动用了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。这项技术可以读取单个细胞的基因表达谱，告诉我们每个细胞在特定时刻“正在想什么”和“正在做什么”。
5 C: d) s" D3 T/ B# N9 ^7 ]$ K通过对芯片中不同区域（肿瘤内部 vs. 肿瘤周围基质）的CAR-T细胞进行分别解析，一幅精细的“T细胞状态地图”展现在我们眼前：
& P+ K) W+ D3 H2 L+ S激活与分化： 在与meso-tumors战斗后，肿瘤内的CAR-T细胞显著上调了激活标记物，例如，PD-1阳性的细胞比例从输注前的1.8%飙升至23.9%，远高于对照组的12.8%。这表明它们经历了强烈的抗原刺激。  M% L; F/ w2 z
表型转变： 更重要的是，这些细胞的“身份”也发生了转变。大量的CAR-T细胞从相对“年轻”的中央记忆T细胞（Central Memory T cells, TCM）分化为更具杀伤力的效应记忆T细胞（Effector Memory T cells, TEM）。在meso-tumors内部，约60%的CAR-T细胞呈现出TEM表型，而在输注前的细胞群体中，这一比例仅为22%。效应记忆T细胞是冲锋陷阵的“一线作战部队”，这种转变对于有效的肿瘤清除至关重要。
) G# O* G- B- i, o: R基因表达的“战争日记”： scRNA-seq数据揭示了更深层次的信息。研究人员识别出了三种不同的CAR-T细胞亚群：位于基质中的“休整”部队（Resting CAR-T cells）、正在向肿瘤迁移的“早期激活”部队（Early Activated CAR-T cells），以及深入肿瘤核心的“激活效应”部队（Activated Effector CAR-T cells）。' R, D$ q, P. l/ |
“休整”部队表达着与记忆和归巢相关的基因（如 LEF1）。“早期激活”部队则高表达与细胞迁移和趋化相关的基因（如 CXCR4），表明它们正在响应肿瘤发出的“召唤信号”。而“激活效应”部队则火力全开，高表达增殖标记物（如 MKI67）和多种效应分子基因，显示出旺盛的增殖和杀伤能力。
7 t' r+ M- Y- P9 O6 ^" j' ]这些单细胞层面的精细数据，不仅证实了模型的生理相关性，CAR-T细胞在芯片中的分化路径与在真实肺癌患者肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）中观察到的现象高度一致，更展示了该平台作为“深度侦察工具”的巨大潜力，使我们能够以前所未有的分辨率，剖析免疫细胞在复杂的肿瘤微环境中的行为和命运。/ C8 A) C7 d% M( S) d0 @6 g# O
“装甲”升级：测试改良版CAR-T细胞的突防能力" s4 T" Y# Q* {/ k. r. ~
既然拥有了如此逼真的“虚拟训练场”，下一步自然就是用它来测试和优化我们的“武器”了。一个新兴的CAR-T改造策略是为其加装额外的“导航系统”，使其能更好地追踪肿瘤释放的特定化学信号（趋化因子），这种策略被称为“装甲CAR-T”（Armored CAR-T）。
$ J  H2 T+ \) o. S6 o研究人员将目光投向了恶性胸膜间皮瘤（Malignant Pleural Mesothelioma），这是一种侵袭性极强的癌症，其特点是高表达间皮素，并且会大量分泌一种名为CCL2的趋化因子。理论上，如果给meso-CAR-T细胞装上CCL2的受体——CCR2，它们应该能更有效地“嗅到”肿瘤的位置，从而实现更高效的归巢。
" B6 Q' a3 v& B6 j5 M  r; @于是，一场新的演习开始了。研究人员在芯片上构建了表达间皮素和分泌CCL2的间皮瘤模型（EMMeso-tumors），并测试了三种T细胞：非转导T细胞（NTD），即普通士兵；meso-CAR-T细胞，即标准特种兵；以及meso-CAR-CCR2细胞，即加装了“CCL2导航仪”的精英特种兵。# _& {, E  f8 x0 \1 A1 c) o
实验结果清晰地展示了“装甲”升级带来的优势。在灌注后的5天内，meso-CAR-CCR2细胞在肿瘤区域的聚集速度和数量都显著高于标准的meso-CAR-T细胞，而非转导的T细胞则几乎没有反应。这证明了CCR2的“导航”功能确实有效，大大增强了CAR-T细胞的肿瘤靶向贩运（trafficking）。, Q3 E' @9 c7 x% N
然而，尽管meso-CAR-CCR2细胞“到得更快、更多”，但在短期的体外实验（5天）中，它们对肿瘤的杀伤效果与标准meso-CAR-T细胞相比并没有显著差异。研究人员随后在小鼠体内进行了同样的实验，发现在更长的时间尺度上（超过20天），这种“先到”的优势才逐渐转化为更有效的肿瘤控制。
- D! K1 I# a! T这一发现极具启发性。它告诉我们，增强贩运只是第一步，并不直接等同于增强杀伤。CAR-T细胞到达战场后，如何克服微环境中的其他抑制因素，保持持久的战斗力，是同样重要甚至更关键的问题。这个芯片模型不仅验证了“装甲”策略的有效性，也揭示了其局限性，为后续的优化指明了方向。) _0 [- |# H8 e7 D
终极挑战：在芯片上为真实患者“排兵布阵”
. l, o( m% N: h% y( U$ n至此，所有的实验都还基于标准化的癌细胞系。但我们知道，每个患者的肿瘤都是独一无二的。这个模型能否用于直接研究来自患者的“原版”肿瘤组织？这无疑是迈向个性化精准医疗（Personalized Medicine）的关键一步。% V/ M, r6 t( m& |; m$ B
研究人员接受了这项挑战。他们从接受手术的间皮瘤患者身上获取了新鲜的肿瘤组织，将其微小化后移植到芯片的血管网络中。结果令人振奋：这些来自患者的肿瘤外植体（Patient-derived Explants）在芯片中保持了良好的活性，并成功地被周围的血管网络所包裹和灌注。
( T& p" ]$ f0 y0 E1 X, ]  s当meso-CAR-T细胞被引入这个“个性化肿瘤芯片”时，研究人员观察到了一些与细胞系模型不同的行为。例如，T细胞的招募速度相对较慢，但最终浸润到肿瘤中的CAR-T细胞同样表现出了向效应记忆T细胞（TEM）的强烈分化（约70%的肿瘤内CAR-T细胞为TEM表型）。这表明，尽管不同来源的肿瘤在“吸引”T细胞的能力上存在差异，但CAR-T细胞一旦进入战场，其核心的激活与分化路径是相似的。
& m. l: `! P. X( a. K2 D这项成功的尝试意义重大。它预示着一种全新的临床前研究范式：未来，我们或许可以为每一位接受CAR-T治疗的患者，先在芯片上构建一个他/她的“肿瘤阿凡达”，通过这个微缩模型来预测治疗反应、筛选最佳的CAR-T改造方案或联合用药策略，从而实现真正的“量体裁衣”式治疗。
7 |. p3 o) o3 |' E9 X: I3 B) C意外的宝藏：从数据中挖掘药物联合治疗的新靶点
9 L' a4 T9 n0 t; n# l1 H3 h这个强大的平台带来的惊喜还远未结束。在分析肺腺癌模型的scRNA-seq数据时，研究人员不仅仅满足于描述现象，他们还利用生物信息学工具（如CellPhoneDB）进行了一次“数据考古”，试图从海量的基因表达信息中，挖掘出调控CAR-T细胞与肿瘤血管相互作用的关键“通讯密码”。
. D* w! ^# |' c7 A7 C) K9 c4 v他们的目光最终锁定在了一条名为 CXCL10/11-CXCR3 的信号轴上。这是一个经典的趋化因子通路：肿瘤血管内皮细胞在受到CAR-T细胞释放的IFN-γ刺激后，会分泌趋化因子CXCL10和CXCL11；而CAR-T细胞表面则表达着它们的受体CXCR3。这条通路就像血管壁上亮起的“导航灯”，指引着CAR-T细胞从血管中出来，进入肿瘤组织。
, s/ V5 H% V/ F然而，数据中一个不寻常的发现引起了研究人员的警觉。他们注意到，CAR-T细胞和成纤维细胞表面还高表达一种名为DPP4（Dipeptidyl Peptidase-4）的酶。已有研究表明，DPP4像一把“剪刀”，能够剪切并灭活CXCL10和CXCL11，从而破坏这个重要的“导航系统”。, X: c2 |9 q+ y% T4 f
一个大胆的假设应运而生：在肿瘤微环境中，DPP4是否扮演了“破坏者”的角色，通过削弱趋化信号来阻碍CAR-T细胞的招募？如果是这样，那么使用药物抑制DPP4的活性，是否就能保护这些“导航信号”，从而增强CAR-T细胞的疗效？
( y& ^& x; S0 g& l- E  e为了验证这个假设，研究人员设计了迄今为止最复杂也最接近临床实践的一项实验。他们使用了LAF237（又名维格列汀，Vildagliptin），一种已经上市的、用于治疗2型糖尿病的DPP4抑制剂。他们调整了实验方案，模拟临床上的多次给药方案，在26天内对芯片模型进行了三次CAR-T细胞输注，并每日给予不同浓度的LAF237。! R9 x" v" x7 E* v/ K8 E
实验结果显示：在高剂量（1,000 nM）LAF237组中，奇迹发生了！肿瘤在第一次CAR-T输注后就持续缩小，并在后续的治疗中一直维持在很小的尺寸，实现了持久的肿瘤控制。相比之下，未加药或低剂量用药的对照组，其肿瘤在短暂抑制后都出现了复燃。
- c  d& Q  Q( W进一步的检测证实了他们的假设。高剂量LAF237处理显著提高了芯片流出液中活性CXCL10/11的浓度，并有效抑制了DPP4的酶活性。这意味着，通过药物“保护”下来的趋化信号，确实转化为了更强大的抗肿瘤效果。
5 M5 t/ J# k% O6 |( C( u; I  X这项发现是该研究的“点睛之笔”。它完美地展示了这个“肿瘤芯片”平台的闭环价值：从高分辨率的观察（scRNA-seq），到提出科学假设（DPP4的作用），再到通过药物干预进行验证，并最终提供一种具有直接临床转化潜力的联合治疗新策略。更令人兴奋的是，LAF237是一种已在临床广泛使用的安全药物，这为将其“老药新用”到CAR-T联合治疗中铺平了道路，极大地缩短了从实验室发现到临床应用的时间。
* J# q1 s$ K7 u, d从模仿到创造：微缩战场背后的宏大叙事
3 H6 \) E! k2 v+ D0 w回顾这项研究，我们看到的不仅仅是一个巧妙的体外模型，更是一种科研思维的深刻变革。这个“芯片上的肿瘤”，已经从一个单纯的“模拟器”，进化为了一个强大的“发现引擎”。
, S. N/ h% ~, \: g* N它解决了CAR-T细胞疗法在实体瘤研究中的核心痛点：缺乏一个能够动态、直观、高分辨率地解析复杂细胞相互作用，并与人体生理高度相关的临床前模型。通过将工程学、细胞生物学和前沿分析技术（如单细胞测序、代谢组学）相结合，研究人员得以在毫米级的空间内，窥见决定治疗成败的微观战争的每一个细节。8 H7 A! C- ~$ d
从验证CAR-T细胞的基本攻击模式，到评估“装甲CAR-T”的改良效果；从承载真实患者的肿瘤组织进行个性化测试，到最终挖掘并验证全新的药物靶点，这个小小的芯片展现了其在推动下一代肿瘤免疫疗法发展中的巨大潜力。) S- |1 i: C$ T" H: U
当然，正如研究人员所坦言，这个模型仍有优化的空间。例如，当前的模型尚未包含肿瘤微环境中其他重要的免疫细胞，如巨噬细胞和调节性T细胞。未来的工作将致力于构建一个更加完整、复杂的“免疫-肿瘤”生态系统。% X& j" x% A% |& h" t9 l: u
但无论如何，这项工作已经为我们描绘了一幅激动人心的未来图景。在这个图景中，新药的研发和测试将变得更快、更准、更贴近人体真实情况。医生们将能够为每位患者的“肿瘤堡垒”绘制出详细的“作战地图”，并为其量身定制最有效的“攻击方案”。而这一切，或许都将始于这样一个在方寸之间模拟着生命与疾病激烈搏杀的微缩战场。9 e* U( E% K9 U
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