头颈部癌研究中器官芯片技术的创新应用与 3D 模型突破

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1. 引言：头颈部癌的临床挑战与传统模型局限

头颈部癌（HNC）作为全球第六大常见恶性肿瘤，涵盖口腔癌、喉癌、鼻咽癌等多个亚型，其中头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）占比最高，且存在 HPV 阳性与 HPV 阴性的显著异质性 ——HPV 阳性患者虽易发生淋巴结转移，但对放化疗敏感性更高，预后相对较好，而 HPV 阴性患者多与烟酒暴露相关，免疫浸润不足且治疗响应有限。当前 HNC 治疗以手术、放化疗及免疫检查点抑制剂（如 PD-1 抗体）为主，但近 50% 患者无法获益，且易出现局部复发或远处转移，核心问题在于传统研究模型难以精准模拟肿瘤微环境（TME）的复杂性。

传统 2D 细胞培养虽能实现 HNSCC 细胞系（如 UM-SCC-11B、FaDu）的低成本扩增，却无法还原细胞间通讯与 ECM（细胞外基质）相互作用，导致基因表达谱与体内肿瘤差异显著；患者来源异种移植（PDX）模型虽能部分模拟肿瘤生长，却存在小鼠基质替代人类基质、免疫微环境缺失及伦理争议等问题。这些局限推动了 3D 培养模型与器官芯片（OOC）技术的发展，而微流控芯片、PDMS 芯片、3D 细胞培养芯片等技术的成熟，进一步为 HNC 研究提供了更贴近生理的解决方案。

头颈部癌症及其复杂的微环境 A. 头颈部肿瘤最常见的部位包括：（1）口腔、（2）咽、（3）喉、（4）鼻腔和（5）甲状腺；B. 头颈部癌症（HNC）的肿瘤微环境（TME）由癌细胞、基质细胞（如癌相关成纤维细胞）、免疫细胞（如B细胞、T细胞、自然杀伤细胞）和细胞外基质（ECM）成分（如胶原蛋白、纤连蛋白）组成，这些成分共同与巨噬细胞相关；肿瘤相关中性粒细胞（TAN）支持肿瘤进展和治疗抵抗。缩写：CAF，癌相关成纤维细胞；VEGF，血管内皮生长因子；TAM，肿瘤

2. HNC 研究中 3D 模型的技术演进：从球状体到类器官

3D 模型的发展已从简单的肿瘤球状体迈向功能化类器官，逐步实现对 HNC 异质性与 TME 的模拟：

肿瘤球状体：基础 3D 模型的突破肿瘤球状体分为细胞系来源（MCTS）与组织来源两类。MCTS 通过 HNSCC 细胞系在 U 型底微孔板中悬浮培养形成，虽 histological 相似度有限，但能模拟肿瘤的代谢梯度与多细胞耐药性，适合初步药物筛选；而从 HNC 患者组织解离获得的球状体，因保留了肿瘤干细胞（CSCs）与 stromal 细胞，可更好反映原发肿瘤的异质性，尤其在评估 CSCs 相关耐药性时优势显著。这类模型常需搭配微流控芯片实现动态培养，提升细胞活性与实验重复性。
肿瘤类器官：精准模拟 HNC 病理特征肿瘤类器官通过 Matrigel 结合生长因子（如 Wnt 激动剂、TGF-β 抑制剂）构建，可从患者新鲜肿瘤组织或诱导多能干细胞（iPSCs）分化而来。在鼻咽癌研究中，类器官模型成功解决了 EB 病毒（EBV）体外感染效率低的问题 —— 通过气液界面（ALI）培养结合PDMS 芯片的透气特性，EBV 感染率显著提升，为 HPV 阴性 HNC 的病毒致病机制研究提供了平台。此外，类器官微流控芯片能整合 CAFs（癌相关成纤维细胞）与免疫细胞，模拟 HNSCC 中 CAFs 分泌 IL-6、VEGF 促进血管生成的过程，而3D 细胞培养芯片的应用则进一步实现了类器官的长期动态培养与实时观察。

3. 器官芯片技术在 HNC 研究中的核心应用

器官芯片（OOC）通过微流控技术整合细胞、ECM 与物理微环境，成为突破 HNC 研究瓶颈的关键工具，其核心应用集中在三大方向：

1) 肿瘤微环境（TME）的精准复刻

HNC 的 TME 由肿瘤细胞、免疫细胞（T 细胞、巨噬细胞）、CAFs 及血管网络构成，器官芯片通过微流控加工与MEMS 加工技术实现多细胞共培养与动态灌注。例如，基于PDMS 芯片的 HNC 模型采用三层结构：顶层为口腔上皮细胞（模拟黏膜层），中层嵌入 CAFs 与胶原基质，底层为内皮细胞形成的血管通道，通过微流控泵实现培养基循环，精准模拟烟草烟雾或城市颗粒物（UPM）对呼吸道黏膜的损伤 —— 实验显示，UPM 暴露会降低 PDMS 芯片中上皮细胞的紧密连接蛋白 ZO-1 表达，破坏黏膜完整性，这与临床中烟酒相关 HNC 的黏膜损伤机制高度一致。

在材料选择上，PDMS 加工设备制作的芯片因可调节刚度（低至 100kPa）适合模拟软组织微环境，而搭配SU8 模具或光刻胶模具加工的微通道（直径 50-200μm），能实现 ECM 与细胞的精准分布；对于骨侵犯型 HNC（如下颌骨转移），则需在芯片中整合羟基磷灰石（HA）涂层支架，结合微纳加工平台提升骨基质模拟精度。

器官芯片在肿瘤转移和药物测试中的应用。（A）肾癌细胞Caki-1与癌相关成纤维细胞在仿生肝脏微环境芯片模型中的共培养。经许可转载[86]。版权所有2021，《治疗诊断学》；（B）多器官转移芯片模型。经许可转载[87]。版权所有2016，《ACS应用材料与界面》；（C）带有CGG的肺癌类器官药物测试模型，用于筛选患者来源的类器官并确定最佳药物浓度。经许可转载[89]。版权所有2013，《生物材料》；（D）一种高通量芯片模型，利用微柱阵列监测肿瘤-免疫相互作用，以测试抗PD-1对乳腺癌球状体和T细胞的作用。经许可转载[91]。版权所有2021，《Small》

代表性头颈部癌（HNC）3D模型应用（A）癌症相关成纤维细胞与头颈部鳞状细胞癌细胞的3D TRACERs共培养模型。经许可转载[90]。版权所有2021，《生物材料》；（B）模拟肿瘤进展并测试基于纳米颗粒的药物递送系统的3D口腔癌模型。经许可转载[93]。版权所有2023，《在体》；（C）用于研究疾病进展和EB病毒感染的鼻咽癌气液界面3D培养模型。经许可转载[95]。版权所有2018，《mSphere》

2) HNC 转移过程的动态建模

淋巴结转移是 HPV 阳性 HNC 的典型特征，传统模型难以捕捉转移的动态过程，而转移器官芯片通过多腔室设计模拟 “原发灶 – 循环 – 继发灶” 路径。例如，甲状腺 – 肺转移芯片通过微流控光刻技术构建平行微通道，一侧培养甲状腺癌细胞（如 Caki-1），另一侧以肺 hydrogel 模拟靶器官，芯片中流动的培养基模拟血液循环 —— 研究发现，敲低 RCAN1.4 基因会通过上调 NFE2L3 促进癌细胞侵袭，且不同细胞系的转移能力差异可通过芯片实时观察。

这类模型的构建依赖器官芯片加工设备与微流控芯片定制技术，例如采用紫外光刻机制作的微柱阵列，可量化癌细胞的迁移速度，而3D 细胞培养芯片中嵌入的淋巴内皮细胞，能分泌巨噬细胞迁移抑制因子（MIF），进一步揭示 HNC 细胞的糖酵解依赖机制，为抗转移药物研发提供靶点。

3) 个性化药物筛选与治疗评估

HNC 的异质性要求治疗方案个体化，器官芯片通过微流控芯片定制实现高 – throughput 药物测试。例如，基于微流控芯片的浓度梯度发生器（CGG），可在单芯片上生成 0.1-10μM 的药物浓度梯度，搭配患者来源 HNC 类器官，快速筛选化疗药物（如顺铂）或免疫抑制剂（如 PD-L1 抗体）的最佳剂量。在免疫治疗测试中，芯片还可整合健康供体的 PBMCs（外周血单核细胞），观察 IDO1 抑制剂对 T 细胞迁移的促进作用 —— 实验显示，这类微流控细胞培养芯片能准确区分 HPV 阳性与阴性患者对 PD-1 抗体的响应差异，响应率与临床数据（15-20%）高度吻合。

此外，微流控芯片检测仪的应用实现了药物作用的实时监测，例如通过微电极阵列（MEA）记录 HNC 类器官的电生理信号，评估药物对肿瘤细胞活性的影响；而PDMS 模具制作的可重复芯片，降低了个性化测试的成本，为临床转化提供了可行性。

4. HNC 器官芯片的关键技术支撑与产业协同

器官芯片的性能依赖材料、加工与设备的协同，核心技术与产业资源的整合成为关键：

材料体系：从 PDMS 到功能化基质PDMS 芯片因光学透明、气体通透性好，成为 HNC 器官芯片的主流基材，通过PDMS 加工设备可实现刚度调节（添加固化剂比例）；对于黏膜组织模拟，需结合脱细胞 ECM（dECM），如气管黏膜来源的 dECM，保留天然生化信号，支持上皮 – 内皮共培养；而SU8 模具与光刻胶模具则用于微通道的高精度加工，搭配光刻机（如 UV-KUB3）实现 5-10μm 的微结构分辨率，满足 MEMS 加工需求。
加工与设备整合微纳加工平台为芯片制造提供核心支撑，例如通过电子束光刻技术制作纳米级流道，模拟 HNC 中的微血管网络；微流控光刻技术则实现芯片与 3D 培养的结合，如在芯片表面光刻出细胞黏附位点，引导肿瘤细胞有序生长。产业端，微流控芯片代工企业（如苏州地区相关厂商）可提供从设计到量产的服务，而器官芯片加工设备的标准化（如模块化泵体、温控系统），则降低了实验室级芯片的应用门槛。
跨领域技术融合AI 与机器人技术的融入提升了芯片的自动化水平，例如通过机器视觉识别微流控芯片中的肿瘤球状体大小，预测药物响应；机器人液体处理系统实现多芯片同步灌注，提升实验 throughput。此外，数字微流控芯片的发展，进一步简化了样品操作，适合临床场景下的快速检测。

与头颈部癌症相关的代表性器官芯片研究（A）源自鼻腔的呼吸道芯片，由三层组成：上皮层、成纤维细胞层和内皮层。经许可转载[104]；（B）用于舌癌的微流控芯片设计。免疫细胞加载在通道A中，舌癌细胞在通道B中，通道C用于水合作用。经许可转载[110]；（C）模拟肿瘤微环境的口腔癌器官芯片，示意图及体外表征。经许可转载[112]

头颈部癌芯片肿瘤的构建策略

5. 当前挑战与未来发展方向

尽管器官芯片在 HNC 研究中取得突破，仍面临三大挑战：

标准化与重复性：不同实验室的芯片设计（如流道尺寸、材料配比）差异导致数据难以比对，需建立统一的微流控芯片性能标准（如流体剪切力、细胞存活率），国际组织（如欧洲 Organ-on-Chip 协会）已启动相关工作；
临床转化效率：患者来源组织的处理流程复杂，芯片测试周期（通常 7-14 天）难以匹配临床治疗决策需求，需优化微流控芯片定制流程，实现活检样本的快速芯片构建；
多器官协同模拟：HNC 转移涉及肺、骨等多器官，现有多器官芯片的血管连接技术尚不成熟，需进一步整合微流控系统与器官间物质交换机制。

未来方向上，HPV 特异性芯片将成为重点 —— 通过构建 HPV 阳性 / 阴性 HNC 的专属 TME 模型（如整合 HPV-16 E6/E7 基因的类器官），揭示病毒驱动的免疫逃逸机制；同时，类器官芯片与 AI 的结合，可建立药物响应预测模型，推动个性化治疗方案的自动化生成。此外，微流控芯片与影像技术（如共聚焦显微镜）的联用，将实现 TME 中细胞互作的实时可视化，为 HNC 发病机制研究提供新视角。

器官芯片技术与 3D 模型的发展，为头颈部癌研究提供了 “从实验室到临床” 的精准工具。通过PDMS 芯片、微流控加工、类器官芯片等技术的整合，不仅解决了传统模型的局限，更实现了对 HNC 异质性、TME 复杂性的深度模拟。未来，随着标准化进程的推进与产业协同的加强，器官芯片将成为 HNC 药物研发、个性化治疗评估的核心平台，为提升患者生存率与治疗质量提供关键支撑，推动头颈部癌研究进入 “精准微生理” 时代。

参考文献：https://doi.org/10.1186/s12967-025-06824-5

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600001	30*15	0.5	1	0.2	25	8	PDMS	800
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