在肿瘤治疗从“基因匹配”向“功能验证”升级的趋势下，如何实现高效、精准的体外药物评价成为制约精准医疗落地的关键瓶颈。肿瘤类器官是一种新型体外疾病模型，能较好地保留来源肿瘤组织的病理学、分子生物学特征，并在药物敏感性上与来源患者保持较高一致性，因此在个体化用药指导和药物研发等领域展现出显著的应用潜力。但是，目前的肿瘤类器官模型构建高度依赖人工操作，这不仅限制了高通量药物筛选的可行性，也对实验结果的稳定性和可重复性构成挑战。
针对类器官高通量药筛的特定需求，苏州医工所董文飞团队基于有源矩阵数字微流控（AM-DMF）技术打造创新研究平台，突破性实现类器官的高通量药物筛选评估，为个性化治疗方案制定提供了全新技术路径。AM-DMF平台通过在每个电极下方集成薄膜晶体管（TFT）实现单个像素的独立寻址，创新性采用有源矩阵行-列扫描架构替代传统直接布线方式，仅需m+n条控制线即可灵活操作m×n阵列的电极，无需额外增加引脚数量就能轻松扩展至数千甚至数万个电极单元，为类器官高通量筛选提供了硬件基础。AM-DMF技术平台搭载自主研发的微流控定时控制板，使电极驱动切换精度低于50ms，可精准实现液滴生成、传输、混合、稀释等全流程可编程操作；成熟半导体制造工艺助力实现AM-DMF芯片稳定性运行超10小时仍无过热或信号漂移现象；平台集成高精度温度调节模块，将培养条件精准维持在37±0.3℃。上述设计为 “片上实验室” 一体化检测提供了高可靠性保障。
本研究利用肺腺癌患者的肿瘤组织成功培养出肿瘤类器官，能特异性表达肺腺癌上皮标志物 CK7（细胞角蛋白 7）和肺分化标志物 TTF-1（甲状腺转录因子-1），且不表达小细胞癌标志物 CD56（NCAM）和 SYN（突触素 I），重现了肺腺癌组织的结构与特征。将类器官应用于AM-DMF平台，通过液滴模块化设计，将类器官预处理、药物梯度稀释、药物反应、染色观察等独立功能区集成于芯片之上，单次即可完成多浓度药物组合的并行测试，显著提高了药物筛选效率。同时，通过图像识别技术成功实现对单个类器官的靶向给药与实时监测，打破了传统方法难以捕捉类器官异质性的局限，能够精准识别耐药亚克隆的药物响应特征。该技术平台的成功研发，不仅能为肿瘤个性化治疗提供“体外试药”的精准工具，还能为新药研发提供高效评价体系，大幅降低临床试验失败风险，缩短研发周期。
图1. 基于有源矩阵数字微流控平台的类器官高通量药物筛选示意图
图2. 肺腺癌肿瘤类器官的构建及其组织结构表征
图3. 基于有源数字微流控平台的肿瘤类器官高通量药敏分析
该研究成果以“Functional drug screening of tumor organoids on an active-matrix digital microfluidic chip for cancer precision medicine”为题发表在《Microsystems &Nanoengineering》期刊上（中国科学院1区TOP）。苏州医工所孙瑞濛博士研究生和苏州大学第二附属医院冯正阳副主任医生为该论文第一作者，董文飞研究员、张丽星副研究员和胡思怡副研究员为通讯作者，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、江苏省自然科学基金等项目的支持。
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