白血病能治愈吗？打响抗癌耐药性攻坚战——高通量单细胞克隆微流控平台

 

 

    一、白血病知多少    

白血病，又称“血癌”，是一类造血系统恶性肿瘤。

通常由骨髓造血干细胞基因变异引起——突变的造血干细胞异常分化产生大量功能不全的血细胞，随血液循环系统迅速扩散至全身，干扰正常血细胞（红细胞、白细胞、血小板）的输氧、免疫、凝血等功能。

▲ 图源：Pixabay

 

白血病根据异常血细胞的分化程度、自然病程的长短可分为急、慢性白血病。

 

结合病变细胞种类，可分为急性髓系白血病 (AML) 、急性淋巴细胞白血病 (ALL) 、慢性髓系白血病 (CML) 和慢性淋巴细胞白血病 (CLL) 四大类型。

 

▲ 四类白血病病因与代谢特征[1]
 

    二、白血病的治疗    

与传统癌症不同，由于血液的全身散布性，难以通过手术对肿瘤进行切除，白血病在早年一直被视为不治之症。但随着现代医学研究的进步，人们对各类白血病的发病机制也有了更深入的了解，越来越多的治疗手段被开发——

 

• 慢性髓系白血病 (CML)

由 9 号和 22 号染色体之间的基因易位引起（费城染色体）， BCR 与 ABL 基因融合导致细胞溶质中一种酪氨酸激酶—— Bcr-Abl 激酶的表达，持续激活涉及 MAPK 、 JAK/STAT 、 MYC 、 RAS 和 PI3K 轴的信号传导，增加细胞增殖、干扰 DNA 修复机制，从而致使癌细胞的增生。

常用疗法有靶向 Abl 激酶 ATP 结合结构域的酪氨酸激酶抑制剂 (TKI) ；通过干扰  mTOR/Akt 通路诱导细胞凋亡的伊维菌素 (Ivermectin) 等。 

• 慢性淋巴细胞白血病 (CLL) 

由骨髓过度产生异常 B 细胞淋巴细胞所致，常见的基因突变位点有：13 号染色体长臂缺失 (del13q14) 、 12 号染色体三体 (+12) 、 11 号染色体长臂缺失 (del11q22-q23) 、 17 号染色体短臂缺失 (del17p13) 等，其代谢特征表现为 BCL-2 蛋白家族的 mRNA 和蛋白表达增加。 常用疗法有括烷化剂（Chlorambucil、环磷酰胺）联合类固醇和长春新碱 (VCR) 治疗；腺苷核苷类似物 (氟达拉滨和克拉屈滨) ；BTK 抑制剂，依鲁替尼 (ibrutinib) ；磷酸肌醇 3-激酶 δ 抑制剂，艾德拉尼 (idelalisib) ；BCL2 抑制剂，维奈托克 (venetoclax) ；C20 单克隆抗体 (利妥昔单抗，阿托珠单抗) 等。 

• 急性淋巴细胞白血病 (ALL)

是一种以重编程代谢和非典型分子信号传导为特征的异质性疾病，并且与 CML 一样，可由费城染色体的存在和 Bcr-Abl 的表达诱导。 常用疗法有通过水解天冬酰胺，延缓 mRNA 翻译，诱导ALL细胞凋亡的天冬酰胺酶  (ASNase) ；阻碍糖酵解诱导细胞凋亡的糖皮质激素（地塞米松、泼尼松龙）；C20单克隆抗体 (利妥昔单抗、奥法木单抗) ；化疗药物：替加环素 (tigecycline) 、长春新碱、甲氨蝶呤 (MTX) 、6-疏基嘌呤 (6-MP) 等。 

• 急性髓性白血病 (AML) 

 是成人最常见的急性白血病，也是在常见血液肿瘤中控制较差的一种分型。 急性髓性白血病具有其高度异质性，主要根据细胞学和遗传特征进行分类。 

▲ 国家综合癌症网络（NCCN）急性髓系白血病的细胞遗传学/分子分类[2]

 

测序结果表明，超过90%的AML患者带有一种或多种体细胞突变，常见的突变基因位点 (>5%) 有：FLT3 、 NPM1 、 DNMT3A 、 IDH1 、 IDH2 、 TET2 、 RUNX1 、 TP53 、 NRAS 、 CEBPα 和 WT1 等 。因此，越来越多的靶向药物已被开发用于 AML 的临床治疗，如：FLT3 抑制剂、 IDH 抑制剂、 BDL2 抑制剂等等。 然而，对于非常见突变位点的患者而言，优先选择的通用疗法仍然是“诱导化疗”，常用 3+7 疗法（ 7 天阿糖胞苷加 3 天蒽环类抗生素），后续再强化巩固化疗或进行异体造血干细胞移植治疗。 

但 AML 患者中，只有少数能够成功进行骨髓移，大多数不仅可能对化疗无反应而且会逐渐进展成复发或难治性 AML ， 5 年生存率极低。

 

因此，针对肿瘤细胞异质性介导的耐药性的研究迫在眉睫。

 

    三、重大突破    

2022 年 9 月 22 日，来自中国科学院武汉物理与数学研究所和武汉大学人民医院的研究团队联合在 Military Medical Research 期刊（影响因子 34.9 ）发表一篇名为 "An integrated microfluidics platform with high‑throughput single‑cell cloning array and concentration gradient generator for efficient cancer drug effect screening" 的文章，开发了一种可进行高效癌症药物效应筛选的单细胞高通量微流控 "SMART" 平台。

该平台 (Microfluidic chamber Array (4320 units) and a six-Concentration gradient generator, MAC) 突破性地集成了 6 个浓度梯度发生器 (CGG) 和 4320 个微腔阵列，可同时实现6 个药物浓度梯度的高通量和高效率的单细胞捕获、克隆和鉴定。

MAC 由两个入口、一个圣诞树状的 CGG 模块、一个细胞捕获阵列和一个连接到出口的梯形网络组成（图1-a）。该装置使用软光刻和 PDMS 快速成型方法制造，占地面积小（约 30 × 20 mm²），可轻松装入培养皿中并放置于细胞培养箱。

▲图1 微流控装置的设计和工作原理

 

经测试，在最佳细胞密度（ 3.0 × 106个细胞/ml ）下， 6 通道 MAC 的整体单细胞捕获率可达 74% ，一次检测中可捕获约 3000 个单细胞用于药物测试（图2-b）。

▲图2 MAC 单细胞捕获和单细胞克隆效率评估

 

利用该平台，研究团队对白血病细胞系 K562 的单细胞/单细胞克隆进行了伊马替尼 (Ima) 和白藜芦醇 (Res) 两种知名药物的单一/联合治疗。

 

通过细胞活性检测，区分出一些在高药物浓度下也能正常存活的耐药细胞，且细胞增殖检测的结果表明，单细胞克隆具有比单细胞更强的耐药性，提示细胞间的交流可能会增加对抗癌药物的敏感性。

▲使用伊马替尼 (Ima) 和白藜芦醇 (Res) 对 MAC 中捕获的单个 K562 细胞/单细胞克隆进行单一或联合药物治疗

 

在细胞模型之外，研究还对两位急性髓性白血病 (AML) 患者的白血病细胞样本进行了阿糖胞苷 (Ara-C) 和柔红霉素 (DNR) 药物组合联合化疗。

 

细胞活性检测的结果也观察到类似的在高药物浓度下能正常存活的耐药细胞，以及活细胞比例随药物浓度增加而降低的趋势。

 

▲药物（Ara-C 和 DNR 的组合）对从 AML 患者骨髓中分离的单细胞的影响

 

耐药性是白血病复发并治疗失败的主要原因，利用该 MAC 平台，仅需少量的血液细胞样本就能实现多种药物浓度下的高通量单细胞药物筛选，并能在单细胞水平区分到对药物敏感和耐药的异质性细胞，进行针对性研究。相信在不久的将来，这一肿瘤细胞耐药性分析以及白血病的个性化治疗方案研究的一大利器会给我们带来更多的惊喜。

 

让我们一起期待 MAC "SMART" 微流控平台在单细胞分析领域中的应用吧~

 

    四、产品喜助力    

 

本研究在使用 MAC  "SMART" 微流控平台进行抗癌药物筛选时，选用TargetMol®小分子化合物Imatinib（伊马替尼）、Resveratrol（白藜芦醇）、Ara-C（阿糖胞苷）、DNR（柔红霉素），助力白血病耐药性研究，大佬的选择，你值得托付噢~

 

▲本研究选用小分子药物为TargetMol®产品

当下，血液疾病研究依旧如火如荼， TargetMol^® 为您推荐血液病分子库，助力您对造血系统功能及相关疾病的药物研发

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参考文献：

[1] Nemkov T, D'Alessandro A, Reisz JA. Metabolic underpinnings of leukemia pathology and treatment. Cancer Rep (Hoboken). 2019;2(2):e1139. doi:10.1002/cnr2.1139

[2] Kantarjian HM, Kadia TM, DiNardo CD, Welch MA, Ravandi F. Acute myeloid leukemia: Treatment and research outlook for 2021 and the MD Anderson approach. Cancer. 2021;127(8):1186-1207. doi:10.1002/cncr.33477

[3]Testa, U. Leukemia stem cells. Ann Hematol 90, 245–271 (2011).https://doi.org/10.1007/s00277-010-1118-7

[4] Kantarjian HM, Keating MJ, Freireich EJ. Toward the potential cure of leukemias in the next decade [published correction appears in Cancer. 2019 May 15;125(10):1756]. Cancer. 2018;124(22):4301-4313. doi:10.1002/cncr.31669

[5]  Wang, B., He, BS., Ruan, XL. et al. An integrated microfluidics platform with high-throughput single-cell cloning array and concentration gradient generator for efficient cancer drug effect screening. Military Med Res 9, 51 (2022). https://doi.org/10.1186/s40779-022-00409-9