癌症之所以致命，很大程度上源于其转移能力。超过三分之二的癌症死亡并非由原发肿瘤直接导致，而是由于癌细胞脱离原发灶，经血液循环在远处器官形成新的肿瘤。然而，尽管科研人员数十年来不懈努力，专门针对转移过程的药物研发却屡屡受挫。其中一大障碍在于缺乏能够实时观察并解析器官特异性转移机制的人体预测模型。传统的二维细胞培养和动物模型难以完全再现人类癌症转移的复杂性，导致许多在动物实验中表现良好的疗法在临床试验中折戟。

多器官芯片：模拟癌症转移的关键阶段

如今，哥伦比亚工程学院的 Gordana Vunjak-Novakovic 教授团队在《科学·转化医学》杂志上发表了一项突破性研究，他们开发出一种多器官芯片，成功模拟了循环肿瘤细胞离开血管、侵入工程化人体骨和肺组织的全过程。该芯片包含毫米级别的骨和肺组织隔室，通过流动的血管通道相连，并构建了选择性通透的内皮屏障，模拟体内血管壁的结构。这种设计不仅将人体组织与癌细胞共培养，更关键的是，它允许研究人员实时监测血液中癌细胞与靶器官之间的信号交换。

Vunjak-Novakovic 教授表示：“开发人体转移组织模型的迫切需求是我们研究的主要动力。我们的目标是探究癌细胞粘附并穿越内皮（血管内壁）的能力，以及它们通过细胞重编程和微环境重塑在定植组织中存活的潜力。”该模型首次实现了对转移过程中“器官定植”这一最隐蔽阶段的体外重现，为深入理解转移机制提供了前所未有的工具。

揭示器官特异性转移与转移前微环境

转移并非随机过程，不同癌细胞倾向于侵犯特定器官，即“器官趋向性”。乳腺癌常转移至骨和肺，因此该团队利用诱导多能干细胞（iPSCs）分化出骨、肺和血管内皮组织，并通过组织特异性支架和生物反应器促进其成熟。实验结果显示，芯片完美再现了癌细胞的器官偏好：倾向于骨转移的乳腺癌细胞在工程化骨组织中定植更强，并造成更广泛的骨质破坏；而嗜肺性的细胞则对肺组织造成更大损伤，在骨中定植较弱。这种差异性的组织侵袭和分泌分子图谱表明，该设备捕获了器官特异性转移的关键特征。

更令人惊讶的是，芯片还重现了癌症转移中一种更为隐蔽的特性——转移前微环境的形成。在癌细胞完全定植之前，它们会释放信号改变远端组织的微环境，使其更易于癌细胞侵入和存活。通过对组织隔室的分析，研究人员发现乳腺癌细胞在定植前确实对远端器官进行了“预 conditioning”。Vunjak-Novakovic 教授解释道：“癌症非常聪明，我们了解到细胞如何穿越屏障从血液循环进入组织。我们还成功重现了患者体内发生的情况：癌细胞在定植前就预先改造靶组织，使其更具接受性。”这一发现为在转移灶形成前进行干预提供了新的思路和靶点。

该平台的另一大优势在于其患者特异性。它可以使用患者自身的细胞和工程化人体组织，从而揭示个体间转移行为的差异。研究人员可以逐一改变系统组分，研究器官特异性相互作用，并寻找可能成为新治疗靶点的分子通路。哥伦比亚大学系统生物学副教授 Peter Sims 和病理学与细胞生物学教授 Hanina Hibshoosh 也参与了此项研究。正如哥伦比亚工程学院的博士生、该研究的主要作者之一 Ilaria Baldassarri 所言：“随着 FDA 和 NIH 越来越重视新方法学，这项研究是这种转变在实践中的具体体现，应用于癌症最具挑战性的特征之一：转移。”