Nat Comm | 皮升液滴中对条形码标记药物组合进行多路筛选

原创 图灵基因 图灵基因 2022-10-20 13:23 发表于江苏

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不同形式癌症的多样性，以及患者对不同疗法的不同反应水平，意味着治疗策略常常会受到阻碍。抗癌治疗的下一个时代可能会以针对患者自身肿瘤细胞的药物组合为中心。

由海德堡EMBL的前组长Christoph Merten博士领导的一个国际研究团队现在设计了一种方法，可以同时、快速、准确地测试数百种抗癌药物组合的疗效。这项被称为Combi-seq的技术利用一个微流控平台，使科学家能够在皮升大小的液滴乳剂中对数百种条形码药物组合进行高度多路筛选。

研究人员希望，Combi-seq将增强药物疗效测试的威力，并为更个性化的癌症治疗铺平道路。目前在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）工作的Merton及其同事在《Nature Communications》杂志上发表了一篇题为“Combi-seq for multiplexed transcriptome-based profiling of drug combinations using deterministic barcoding in single-cell droplets”的论文。在他们的论文中，该团队表示: “我们证明，所提出的Combi-Seq方法可用于确定药物对细胞活性和细胞信号的影响，从而提供了一种发现协同药物对并破译其作用模式的高通量方法。”

这项研究是与海德堡大学医学院教授、EMBL–海德堡大学医院分子医学合作单位（MMPU）组长、EMBL-EBI前组长Julio Saez Rodriguez博士的团队合作进行的，他监督了由Bence Szalai博士领导的计算分析。

研究报告的作者写道，全世界每年约有1000万人因癌症而死亡，尽管在过去几十年里，经批准的抗癌药物的数量显著增长，但抗癌疗法往往只有短期效果。“我们对癌症分子基础的分子理解的增加，导致了靶向治疗的发展。到目前为止，这些疗法的疗效有限，而且只对一小部分患者有效，尽管我们做出了重大努力，从基因组上对患者进行表征，以寻找反应生物标志物。”

由于每个患者的肿瘤细胞都是不同的，并且不断积累突变，因此很难预测它们对特定药物的反应。肿瘤细胞对特定药物产生耐药性的几率也很高。研究小组指出，基于这些原因，两种或两种以上药物的联合应用通常被认为比单药化疗更有前景。“肿瘤通常会产生耐药性，导致复发，这可以通过药物组合来解决……对癌症患者分层进行化疗和靶向药物个性化治疗已被证明可以提高癌症治疗的成功率。”

然而，测试这些组合也存在挑战。“在测试药物的效果时，我们受到患者活检组织数量的限制，而活检组织的数量通常较低。”Merten说，“这意味着，使用传统技术，不可能筛选出数百种药物组合对患者肿瘤细胞的影响。”

由于这种对大量组织的依赖，目前的技术一次只能测试少数几种药物的情况。它们通常也提供纯粹的是或否的答案，例如，细胞在治疗后是存活还是死亡。研究人员表示：“虽然有许多方法可以用于进行药物筛选，但它们通常通量低、成本高、时间长，并且/或者需要大量细胞，这大大限制了每次肿瘤活检可筛查的潜在药物的数量。这种限制在考虑药物组合时变得更加明显，因为潜在的组合的绝对数量，随着测试药物的数量呈指数增长。”

该团队的新Combi-seq技术通过使用微流体技术克服了这些障碍，即使用非常小型化的设备精确控制和操纵流体。由于所需液体的量很小，研究人员可以用非常小的样品量进行大规模实验。该团队继续说道：“与传统的平板屏幕相比，由于微型化了几个数量级，药物或药物组合的数量可以在低输入细胞数量的情况下大幅增加。”

2018年，Merten和Saez-Rodriguez团队使用微流体技术在患者的癌细胞中测试了56种抗癌药物组合。但正如研究人员进一步解释的那样，“虽然我们之前的方法提供了直接筛选患者材料的第一个概念证明，但仍然相对较大的500nL容量限制了测试药物组合的数量。”

由前EMBL博士研究生Lukas Mathur创建的新的Combi-seq技术进一步推进了这一过程，使研究人员能够用少量生物材料测试420种药物组合。“基于液滴形式的检测小型化，每个测试条件下只需要大约250个细胞，因此开辟了直接对患者材料进行个性化筛选的途径，并大幅增加了对患者来源的细胞系或类器官和类球体进行组合筛选的规模。”该团队表示。

Combi-seq的工作原理是对溶液中的细胞进行精确的微流体操作。研究人员用这种方法分离出直径只有十分之一毫米左右的液滴中的细胞。除了癌细胞外，每个液滴还包含一种特定的药物组合和DNA序列“条形码”，用来作为所用治疗条件的标签。经过12小时的治疗后，研究人员可以收集细胞，收集它们的遗传物质进行测序（通过条形码识别），并分析结果。他们指出:“通过引入一种确定性组合条形码方法，其中两组条形码对药物组合进行编码，我们成功地以高度复用的方式筛选了所有条件，而无需保持任何空间顺序。”

研究团队认为，Combi-seq不仅可以大规模增加同时测试的多种治疗条件，还可以让科学家从药物暴露的细胞中收集精确的转录组学数据。它通过将下一代测序纳入工作流程来实现这一目标。这一新方法不仅表明了药物治疗后细胞是存活还是死亡，还为我们提供了有关细胞反应的大量信息，这可能有助于科学家制定治疗策略。科学家们指出：“由于DNA条形码是为药物干扰后的细胞的全转录组分析而设计的，我们还能够对药物组合进行大规模并行的基因表达分析。”

“利用这些转录组学数据，我们可以对细胞中的信号通路如何对药物产生反应，或者哪些基因在反应中被上调或下调做出说明。这比我们以前所做的任何事情都要强大得多。”Merten说。“为不同肿瘤类型的患者生成这些数据集，并对其应用先进的计算方法，可以提高我们对药物不起作用的原因的理解，并最终改善患者护理。”Saez-Rodriguez补充道。

该方法功能强大，用途广泛。“我们的主要兴趣是抗癌疗法。”Merten指出，“然而，这项技术可能被扩展到任何需要详细分析人类原代细胞对药物反应的情况。”