AVATAR在精準模擬患者腫瘤微環境探尋腫瘤進展背后機制的應用
腫瘤微環境（TME）是指腫瘤在生長過程中、與腫瘤的發生，發展和轉移密不可分的局部穩態環境，它有幾個不同于正常組織的生理學特征，如腫瘤間質液壓增高和缺氧。
圖1. 正常組織和腫瘤微環境的區別
腫瘤間質液壓是決定腫瘤血供和營養以及血液攜帶的治療劑釋放入腫瘤的重要參數，腫瘤間質液壓增高會造成惡性腫瘤放療、化療、免疫治療困難。同樣，缺氧微環境對腫瘤細胞具有篩選作用，能夠使腫瘤的惡性程度進一步提高，導致腫瘤細胞對化療藥物或放射治療不敏感，最終導致腫瘤轉移和耐藥性。
因此，在體外模擬腫瘤微環境是一種研究腫瘤非常重要且必要的手段，它可以更好地指導臨床治療，實現癌癥的個性化精準醫療。
AVATAR個體化細胞控制系統可以自由控制培養環境中的氧氣含量和壓力強度，在體外精準模擬出加壓和缺氧的腫瘤微環境條件，使研究人員能夠在接近真實的環境中研究藥物作用機制、評估治療效果，得到更加科學的結果，同時也減少項目的優化時間與成本費用。
圖2. AVATAR個體化細胞控制系統
目前，AVATAR在世界范圍內已有廣泛應用，以下是AVATAR在前列腺癌細胞系耐藥性研究中的一個應用案例。
探究前列腺癌細胞系的耐藥性
實驗背景
恩雜魯胺（Enzalutamide）是一類口服類雄激素受體拮抗劑，已被美國FDA批準用于前列腺癌化療后進展的轉移性去勢耐受前列腺癌的患者（即前列腺腫瘤或癌細胞隨經化療但病灶仍然在生長的患者）的治療，可延長患者生存期。但遺憾的是在治療過程中幾乎所有患者都會產生耐藥性。
AR-V7的表達是對恩雜魯胺耐藥的生物標志物之一。恩雜魯胺在人體中可以靶向作用于雄激素受體（AndrogenReceptor，AR）上的LBD結構域，使雄激素不能與AR結合，阻斷AR信號通路，因此達到治療的效果。而AR-V7可以直接使恩雜魯胺無法與AR結合，導致前列腺癌患者對恩雜魯胺產生耐藥性。
為了確定前列腺癌細胞中對恩雜魯胺治療耐藥的機制，并生成篩選和評估化療藥物的模型，研究人員使用AVATAR系統模擬腫瘤組織微環境，使人前列腺癌細胞22Rv1和LNCaP在腫瘤間質液壓增高和缺氧培養條件下（2 PSI+1%O2）培養，然后評估細胞生長、基因表達譜和恩雜魯胺治療的藥物反應。
實驗結果
1. 腫瘤微環境條件下，人前列腺癌細胞對恩雜魯胺的耐藥性增強
圖3. 前列腺癌細胞在TME條件下誘導了對恩雜魯胺治療的耐藥性
人前列腺癌細胞22Rv1（A）和LNCaP（B）細胞在對照組（CO2培養箱）和實驗組（腫瘤微環境條件：1%O2，0/2 PSI）培養兩個月，實驗組中的癌細胞對恩雜魯胺產生耐藥性。
2. 腫瘤微環境條件誘導前列腺癌細胞表達雄激素受體，尤其是AR-V7
圖4. 前列腺癌細胞在TME條件下AR-V7的表達情況
qPCR（A）和western blot（B）檢測腫瘤微環境條件下前列腺癌細胞22Rv1 中AR和AR-V7的表達，結果顯示，腫瘤微環境條件誘導前列腺癌細胞表達雄激素受體，尤其是AR-V。圖4為三個獨立實驗的代表性結果*P＜0.05**P＜0.01。
3. 腫瘤微環境條件改變了前列腺癌細胞22Rv1和LNCaP的基因表達譜
圖5.腫瘤微環境條件下前列腺癌細胞22Rv1和LNCaP的轉錄組學分析
（A）22Rv1和LNCaP細胞在TME條件下基因表達顯著上調和顯著下調的基因數量。（B）22Rv1和LNCaP細胞在TME條件下基因表達上調和下調的維恩圖。（C）基因集富集分析（GSEA）繪制了22Rv1和LNCaP細胞缺氧、上皮間充質轉化和外源代謝的標志性特征。（D）22Rv1和LNCaP細胞中顯著富集途徑的GSEA特征富集總譜。
4. 腫瘤微環境條件適應的前列腺癌細胞中KDM3A表達的上調有助于AR-V7表達的增加
圖6. 腫瘤微環境上調22Rv1和LNCaP細胞中組蛋白去甲基化酶KDM3A的表達
前列腺癌細胞22Rv1（A）和LNCaP（B）中前20個差異表達基因的熱圖。qPCR結果證實，在TME條件下，22Rv1和LNCaP細胞中KDM3A的表達上調（C）。Western blot結果顯示，在TME條件下，HIF-1α和KDM3A蛋白水平增加（D）。KDM3A促進AR-V7的選擇性剪接，導致在TME條件下AR-V8的更高水平，并誘導PSA蛋白表達。
5. 在腫瘤微環境條件培養的前列腺癌細胞系顯示波形蛋白表達增加
圖7. 腫瘤微環境誘導22Rv1和LNCaP細胞的上皮-間充質轉化（EMT）
將22Rv1和LNCaP細胞在腫瘤微環境條件或標準CO2培養箱中培養3天，通過免疫熒光染色（A）、qPCR（B）和Western blot（C）分析上皮細胞標記物E-鈣粘蛋白（CDH1）和間充質細胞標記物波形蛋白（VIM）的表達。結果表明，在腫瘤微環境條件下，22Rv1和LNCaP細胞中的間充質細胞標記物VIM上調。
實驗結論
作者比較了前列腺癌細胞的細胞生長、基因表達譜和對恩雜魯胺治療的藥物反應，發現適應腫瘤微環境培養條件可以促進前列腺癌細胞系中AR-V7的表達，并有助于對恩雜魯胺的耐藥性。細胞系對腫瘤微環境培養條件的適應可以為耐藥機制提供有意義的見解，同時為鑒定耐藥靶點和生物標志物提供一種新的方法。
1.創造低氧高壓條件，模擬體內微環境
自由控制氧氣含量和壓力強度，為所研究的細胞創造符合其在體內的微環境。
2.縮小體外與體內細胞實驗結果間的差異
模擬細胞在體內的微環境，因此細胞的狀態也就更加真實，實驗結果和體內實驗相當。
3.有效精準控制細胞狀態
除了可模擬體內微環境外，更可借由參數的調整與優化，控制細胞的狀態與命運（如維持干細胞干性表征、定向誘導干細胞分化、提高基因編輯與轉染的效率等），相較傳統方式能更有效的提高反應效果，不僅可縮短時效，更可減低實驗過程中所需成本花費。
4.多通道且獨立的設計和便捷的可升級性
研究者可根據需求選擇多臺獨立腔體疊加放置，同時設置不同的環境條件。研究者可以橫跨不同的生理理狀態去評估細胞的基因與功能，或根據需求，采取多參數設置模式快速獲得更佳的生長條件，大幅減少優化時間與成本花費。
5.空間占用小
可靈活地放置于任何常規環境，也可放置于特定空間，如超凈工作臺等，適合特殊應用需求，如病毒或病原相關研究。
6. 顯著降低運行成本
設備配置精密感應器與氣體控制部件，因此可較傳統培養裝置降低≥90%的⽓體消耗。
圖1. 正常組織和腫瘤微環境的區別
腫瘤間質液壓是決定腫瘤血供和營養以及血液攜帶的治療劑釋放入腫瘤的重要參數，腫瘤間質液壓增高會造成惡性腫瘤放療、化療、免疫治療困難。同樣，缺氧微環境對腫瘤細胞具有篩選作用，能夠使腫瘤的惡性程度進一步提高，導致腫瘤細胞對化療藥物或放射治療不敏感，最終導致腫瘤轉移和耐藥性。
因此，在體外模擬腫瘤微環境是一種研究腫瘤非常重要且必要的手段，它可以更好地指導臨床治療，實現癌癥的個性化精準醫療。
AVATAR個體化細胞控制系統可以自由控制培養環境中的氧氣含量和壓力強度，在體外精準模擬出加壓和缺氧的腫瘤微環境條件，使研究人員能夠在接近真實的環境中研究藥物作用機制、評估治療效果，得到更加科學的結果，同時也減少項目的優化時間與成本費用。
圖2. AVATAR個體化細胞控制系統
目前，AVATAR在世界范圍內已有廣泛應用，以下是AVATAR在前列腺癌細胞系耐藥性研究中的一個應用案例。
探究前列腺癌細胞系的耐藥性
實驗背景
恩雜魯胺（Enzalutamide）是一類口服類雄激素受體拮抗劑，已被美國FDA批準用于前列腺癌化療后進展的轉移性去勢耐受前列腺癌的患者（即前列腺腫瘤或癌細胞隨經化療但病灶仍然在生長的患者）的治療，可延長患者生存期。但遺憾的是在治療過程中幾乎所有患者都會產生耐藥性。
AR-V7的表達是對恩雜魯胺耐藥的生物標志物之一。恩雜魯胺在人體中可以靶向作用于雄激素受體（AndrogenReceptor，AR）上的LBD結構域，使雄激素不能與AR結合，阻斷AR信號通路，因此達到治療的效果。而AR-V7可以直接使恩雜魯胺無法與AR結合，導致前列腺癌患者對恩雜魯胺產生耐藥性。
為了確定前列腺癌細胞中對恩雜魯胺治療耐藥的機制，并生成篩選和評估化療藥物的模型，研究人員使用AVATAR系統模擬腫瘤組織微環境，使人前列腺癌細胞22Rv1和LNCaP在腫瘤間質液壓增高和缺氧培養條件下（2 PSI+1%O2）培養，然后評估細胞生長、基因表達譜和恩雜魯胺治療的藥物反應。
實驗結果
1. 腫瘤微環境條件下，人前列腺癌細胞對恩雜魯胺的耐藥性增強
圖3. 前列腺癌細胞在TME條件下誘導了對恩雜魯胺治療的耐藥性
人前列腺癌細胞22Rv1（A）和LNCaP（B）細胞在對照組（CO2培養箱）和實驗組（腫瘤微環境條件：1%O2，0/2 PSI）培養兩個月，實驗組中的癌細胞對恩雜魯胺產生耐藥性。
2. 腫瘤微環境條件誘導前列腺癌細胞表達雄激素受體，尤其是AR-V7
圖4. 前列腺癌細胞在TME條件下AR-V7的表達情況
qPCR（A）和western blot（B）檢測腫瘤微環境條件下前列腺癌細胞22Rv1 中AR和AR-V7的表達，結果顯示，腫瘤微環境條件誘導前列腺癌細胞表達雄激素受體，尤其是AR-V。圖4為三個獨立實驗的代表性結果*P＜0.05**P＜0.01。
3. 腫瘤微環境條件改變了前列腺癌細胞22Rv1和LNCaP的基因表達譜
圖5.腫瘤微環境條件下前列腺癌細胞22Rv1和LNCaP的轉錄組學分析
（A）22Rv1和LNCaP細胞在TME條件下基因表達顯著上調和顯著下調的基因數量。（B）22Rv1和LNCaP細胞在TME條件下基因表達上調和下調的維恩圖。（C）基因集富集分析（GSEA）繪制了22Rv1和LNCaP細胞缺氧、上皮間充質轉化和外源代謝的標志性特征。（D）22Rv1和LNCaP細胞中顯著富集途徑的GSEA特征富集總譜。
4. 腫瘤微環境條件適應的前列腺癌細胞中KDM3A表達的上調有助于AR-V7表達的增加
圖6. 腫瘤微環境上調22Rv1和LNCaP細胞中組蛋白去甲基化酶KDM3A的表達
前列腺癌細胞22Rv1（A）和LNCaP（B）中前20個差異表達基因的熱圖。qPCR結果證實，在TME條件下，22Rv1和LNCaP細胞中KDM3A的表達上調（C）。Western blot結果顯示，在TME條件下，HIF-1α和KDM3A蛋白水平增加（D）。KDM3A促進AR-V7的選擇性剪接，導致在TME條件下AR-V8的更高水平，并誘導PSA蛋白表達。
5. 在腫瘤微環境條件培養的前列腺癌細胞系顯示波形蛋白表達增加
圖7. 腫瘤微環境誘導22Rv1和LNCaP細胞的上皮-間充質轉化（EMT）
將22Rv1和LNCaP細胞在腫瘤微環境條件或標準CO2培養箱中培養3天，通過免疫熒光染色（A）、qPCR（B）和Western blot（C）分析上皮細胞標記物E-鈣粘蛋白（CDH1）和間充質細胞標記物波形蛋白（VIM）的表達。結果表明，在腫瘤微環境條件下，22Rv1和LNCaP細胞中的間充質細胞標記物VIM上調。
實驗結論
作者比較了前列腺癌細胞的細胞生長、基因表達譜和對恩雜魯胺治療的藥物反應，發現適應腫瘤微環境培養條件可以促進前列腺癌細胞系中AR-V7的表達，并有助于對恩雜魯胺的耐藥性。細胞系對腫瘤微環境培養條件的適應可以為耐藥機制提供有意義的見解，同時為鑒定耐藥靶點和生物標志物提供一種新的方法。
AVATAR 具體有哪些優勢？
1.創造低氧高壓條件，模擬體內微環境
自由控制氧氣含量和壓力強度，為所研究的細胞創造符合其在體內的微環境。
2.縮小體外與體內細胞實驗結果間的差異
模擬細胞在體內的微環境，因此細胞的狀態也就更加真實，實驗結果和體內實驗相當。
3.有效精準控制細胞狀態
除了可模擬體內微環境外，更可借由參數的調整與優化，控制細胞的狀態與命運（如維持干細胞干性表征、定向誘導干細胞分化、提高基因編輯與轉染的效率等），相較傳統方式能更有效的提高反應效果，不僅可縮短時效，更可減低實驗過程中所需成本花費。
4.多通道且獨立的設計和便捷的可升級性
研究者可根據需求選擇多臺獨立腔體疊加放置，同時設置不同的環境條件。研究者可以橫跨不同的生理理狀態去評估細胞的基因與功能，或根據需求，采取多參數設置模式快速獲得更佳的生長條件，大幅減少優化時間與成本花費。
5.空間占用小
可靈活地放置于任何常規環境，也可放置于特定空間，如超凈工作臺等，適合特殊應用需求，如病毒或病原相關研究。
6. 顯著降低運行成本
設備配置精密感應器與氣體控制部件，因此可較傳統培養裝置降低≥90%的⽓體消耗。
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