浅谈肿瘤晶片的发展与应用
前生物醫學工程研究所 李亦淇副教授
腫瘤藥物研究往往在臨床前期花費鉅額的資金進行標的確效與藥物最佳化。過去十年大量的研究投入開發抗癌藥物，然而最後只有 7% 的藥物成功獲得美國食品藥物管理局核可進入臨床試驗，且有許多癌症藥物在臨床三期失敗。失敗的原因來自於使用的預臨床模式不佳，且動物模式與人體仍存在巨大的差異導致預測失準。癌症個人化醫療已成為目前研究的顯學，其目的是改善預臨床模式的準確性與了解病人的藥物反應，提供更有效的治療並降低臨床試驗的耗費與失敗率。腫瘤晶片將有助於減少臨床前期的動物使用及藥物篩選經費，實現體外精確測試與觀察藥物反應，並提供個人化藥物篩選的可能性。
实体肿瘤微环境為复杂的多维立面，包含多样的细胞种类、细胞外间质、与结构混杂的血管。肿瘤细胞也非均质单一的类型，在肿瘤深处的低氧环境中甚至有一群细胞具备干细胞及高度抗药的特质，这些细胞恐怕是造成药物治疗失效或復发的关键。过去使用的化疗药物往往对肿瘤外围的细胞具高度效果，但对低氧、复製缓慢且具高度抗药基因表现的内侧细胞束手无策，因此建立模拟肿瘤微环境的体外模式对发展癌症肿瘤药物相当重要。
肿瘤晶片使用微製造的技术并建立模拟肿瘤微环境的培养方式，以进行药物筛选，藉由建立个人化病人晶片以预测药物的反应。所建立的叁维微环境包含复杂的多细胞体结构，以模拟多种细胞的立体空间分佈、细胞外间质、细胞与细胞间的作用、可能阻隔药物输送的屏障、及血管的增生情形等，尽可能贴近真实肿瘤的环境以辅助并探讨药物的作用情形。製作晶片与微环境的方法不仅多元且跨领域，其中包含以叁维列印技术搭配肿瘤细胞的包埋列印及培养、以微流道技术提供动态的输送与流动系统、以水胶或环境控制形成可模拟肿瘤的叁维细胞球体及以内皮细胞形成输送障蔽等。进一步则製备血管新生晶片以测试抗血管新生的药物或搭配器官晶片以了解药物代谢的情形。近期研究以病人肿瘤细胞製备个人化的肿瘤晶片与临床药物的实证效果进行比对，发现肿瘤晶片确实具备高预测準确性。
肿瘤药物发展的困难度在於癌症细胞的多元与突变性、病人的基因与个体差异及药物作用的分子机制等。肿瘤晶片可提供更贴近真实肿瘤环境与病人反应的体外预测模式，有机会成為精準个人化医疗的利器。