TWI882905B - 模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台 - Google Patents

Abstract

一種模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台包含腫瘤微環境模擬用晶片、藥物試驗用晶片，及設置在腫瘤微環境模擬用晶片與藥物試驗用晶片間的通透性薄膜。腫瘤微環境模擬用晶片包括微環境建立單元，微環境建立單元用於供化學反應進行以產生用來模擬腫瘤微環境的酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度。藥物試驗用晶片包括用於供治療藥物與細胞水膠進行相互作用的試驗單元，試驗單元的正投影落在微環境建立單元上。本發明透過腫瘤微環境模擬用晶片模擬出腫瘤微環境，供治療藥物與細胞水膠在模擬出的腫瘤微環境中進行相互作用而得到精準的測試結果。

Description

模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台

本發明是有關於一種藥物篩選平台，特別是指一種模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台。

癌症治療的效果與腫瘤微環境息息相關。因此，用於測試以篩選癌症治療藥物的藥物篩選平台，若能具有模擬腫瘤生長微環境的功能，將能獲得精準正確的測試結果。這類藥物篩選平台，例如發明人在公告專利TW I795812B中揭示的模擬腹腔熱化療之藥物篩選平台，該模擬腹腔熱化療之藥物篩選平台透過介電泳力使細胞排列成三維結構以建構三維腫瘤微環境。

因此，本發明的目的，即在提供一種以新穎的方式模擬出腫瘤微環境的藥物篩選平台。

於是，本發明模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台包含一個腫瘤微環境模擬用晶片、一個藥物試驗用晶片，及一個設置在該腫瘤微環境模擬用晶片與該藥物試驗用晶片間的通透性薄膜。

該腫瘤微環境模擬用晶片包括一個微環境建立單元，該微環境建立單元用於供化學反應進行以產生用來模擬腫瘤微環境的酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度。

該藥物試驗用晶片包括一個試驗單元，該試驗單元用於供治療藥物與細胞水膠進行相互作用，且該試驗單元的正投影落在該微環境建立單元上。

該通透性薄膜設置在該腫瘤微環境模擬用晶片與該藥物試驗用晶片之間，該通透性薄膜用來供在該微環境建立單元中產生的該酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度擴散至該試驗單元。

本發明的功效在於：在本發明模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台中，該腫瘤微環境模擬用晶片的該微環境建立單元能以化學方式模擬出用來模擬腫瘤微環境的酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度，該酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度經由該通透性薄膜擴散至該藥物試驗用晶片的該試驗單元，能夠讓該試驗單元中的該治療藥物與該細胞水膠在此模擬出的腫瘤微環境中進行相互作用，從而得到精準正確的測試結果。

在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，所述實施例僅為例示說明，而不應被解釋為本發明實施的限制。

參閱圖1及圖2，本發明模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台的一實施例，包含一個腫瘤微環境模擬用晶片1、一個藥物試驗用晶片2、一個通透性薄膜3及一個加熱設備4。

參閱圖1及圖3，該腫瘤微環境模擬用晶片1包括一微環境建立單元11、與該微環境建立單元11連通的一個輸入單元12及一個輸出單元13。該微環境建立單元11用於供化學反應進行以產生用來模擬腫瘤微環境的酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度。該微環境建立單元11具有二個互呈對向設置的化學反應區110，每一個化學反應區110具有多個間隔排列的反應腔室111，該化學反應是在該等反應腔室111中進行。該等反應腔室111的數量可依據實際需求彈性調整，而於本實施例中，每一個化學反應區110具有三個反應腔室111。

該輸入單元12用來將用於進行該化學反應的化學品輸入至該微環境建立單元11中。該輸入單元12具有二個互呈對向設置且分別連接該等化學反應區110的輸入流道120，每一個輸入流道120具有多個注入段121，及多個將該等注入段121與該等反應腔室111連通的分流段122。該等注入段121及該等分流段122的數量可依據實際需求並對應該等反應腔室111的數量來彈性調整，於本實施例中，每一個輸入流道120具有二個注入段121及三個分流段122。

該輸出單元13用來將該化學反應後產生的廢液由該微環境建立單元11排出。該輸出單元13具有二個設置在該等化學反應區110之間且分別連接該等化學反應區110的輸出流道130，每一個輸出流道130具有一個呈分叉而與相對應的該等反應腔室111連通的排出段131。

其中，在該微環境建立單元11中產生的該鹼性氣體例如氨氣，該氨氣是藉由該輸入單元12將氫氧化鈉水溶液與氯化銨水溶液各自通入該微環境建立單元11中後進行反應所生成。該酸性氣體例如二氧化碳，該二氧化碳是藉由該輸入單元12將鹽酸與碳酸鈉水溶液各自通入該微環境建立單元11中後進行反應所生成。該氧氣濃度例如是藉由該輸入單元12將硫酸鈷及亞硫酸鈉水溶液各自通入該微環境建立單元11中後，讓該硫酸鈷催化該亞硫酸鈉水溶液反應消耗掉該微環境建立單元11中的氧氣所產生。而在上述反應後，所產生的廢液經由該輸出單元13排出。

參閱圖1及圖4，該藥物試驗用晶片2包括一個試驗單元21及一個連通該試驗單元21的流道單元22。該試驗單元21是做為供治療藥物與細胞水膠進行相互作用的空間，且該試驗單元21的正投影落在該微環境建立單元11上。該試驗單元21具有二個互呈對向設置的試驗區210，每一個試驗區210具有多個間隔排列的試驗腔室211，該治療藥物與細胞水膠的相互作用是在該等試驗腔室211中進行。該等試驗腔室211的數量可依據實際需求彈性調整，而於本實施例中，每一個試驗區210具有九個試驗腔室211。

該流道單元22具有一個設置在該等試驗區210之間且連接該等試驗區210的第一流道部221，及二個互呈對向設置且分別連接該等試驗區210的第二流道部222。該第一流道部221具有多個彼此間隔的第一出入口221A，及一個串聯該等第一出入口221A且分成多叉而將該等第一出入口221A與該等試驗腔室211連通的多叉型連接段221B。每一個第二流道部222具有多個與鄰近的該試驗區210連接的分流結構222A，每一個分流結構222A具有二個彼此相間隔的孔部222B，及一個呈分叉而將該等孔部222B與鄰近的該等試驗腔室211連通的承接段222C。該等第一出入口221A、該等分流結構222A的數量可依據實際需求彈性調整，而於本實施例中，該第一流道部221具有三個第一出入口221A，每一個第二流道部222具有三個分流結構222A(一個分流結構222A與三個試驗腔室211相連接)。

其中，該治療藥物是從該第一流道部221的該等第一出入口221A注入而分流至該等試驗區210中，該等試驗區210中多餘的該治療藥物經由該等第二流道部222的該等孔部222B排出。此外，在本實施例中，該等第一出入口221A的數量是三個，所以可以在不同的第一出入口221A各自獨立地注入不同種類的治療藥物，也就是在本實施例中可注入三種治療藥物，治療藥物例如但不限於順鉑(Cisplatin)、歐洲紫杉醇(Docetaxel)及紫杉醇(Paclitaxel)，且該多叉型連接段221B會自動將這三種治療藥物各自地單獨分流注入相應的該等試驗腔室211，以及將這三種治療藥物以不同的組合混合(第一種治療藥物與第二種治療藥物的混合、第二種治療藥物與第三種治療藥物的混合，及第一種治療藥物與第三種治療藥物的混合)後分流注入相應的該等試驗腔室211。用圖4進一步舉例說明，將第一種治療藥物從左邊的該第一出入口221A注入、第二種治療藥物從中間的該第一出入口221A注入，及第三種治療藥物從右邊的該第一出入口221A注入並經由該多叉型連接段221B自動分流後，在上方的九個試驗腔室211中，左邊的三個試驗腔室211中容置的皆是第一種治療藥物與第二種治療藥物的混合，中間的三個試驗腔室211中容置的皆是第二種治療藥物，右邊的三個試驗腔室211中容置的皆是第二種治療藥物與第三種治療藥物的混合，而在下方的九個試驗腔室211中，左邊的三個試驗腔室211中容置的皆是第一種治療藥物，中間的三個試驗腔室211中容置的皆是第一種治療藥物與第三種治療藥物的混合，右邊的三個試驗腔室211中容置的皆是第三種治療藥物。

而該細胞水膠是從該等第二流道部222的該等孔部222B注入而分流至相對應的該等試驗區210中，該等試驗區210中多餘的該細胞水膠經由該第一流道部221的該等第一出入口221A排出。該細胞水膠由細胞及水膠所組成，該細胞的種類例如但不限於癌細胞、基質細胞及纖維細胞。且由於該試驗單元21及該流道單元22的設計及搭配，從該等孔部222B注入的可為單一種細胞水膠，也可以是兩種不同的細胞水膠。詳細而言，可以將第一種細胞水膠從每一個分流結構222A的其中一個該孔部222B注入，以及將第二種細胞水膠從每一個分流結構222A的另一個該孔部222B注入，而每一個分流結構222A的該承接段222C會自動將該第一種細胞水膠及第二種細胞水膠各自地單獨分流注入相應的該試驗腔室211，以及將該第一種細胞水膠及該第二種細胞水膠混合後分流注入相應的該試驗腔室211。用圖4中的其中一個分流結構222A進一步舉例說明，將該第一種細胞水膠從左邊的該孔部222B注入後會經由該承接段222C分流至左邊及中間的該試驗腔室211，將該第二種細胞水膠從右邊的該孔部222B注入後會經由該承接段222C分流至右邊及中間的該試驗腔室211，因此左邊的該試驗腔室211容置的是該第一種細胞水膠，中間的該試驗腔室211容置的是該第一種細胞水膠與該第二種細胞水膠的混合，右邊的該試驗腔室211容置的是該第二種細胞水膠。

由上述可知本實施例適用於供三種治療藥物與二種細胞水膠同時進行測試，因此本實施例可以更有效益地進行藥物篩選，進行一次測試就能獲得多種測試結果。

在本實施例的一種操作方式中，是先從該等孔部222B注入該細胞水膠，讓該細胞水膠分流至該等試驗區210中，再從該等第一出入口221A灌注緩衝液將多餘的該細胞水膠沖洗掉而從該等孔部222B排出，待該等試驗區210中的該細胞水膠固定後，利用一外接的幫浦自動灌流裝置(圖未示)從該等第一出入口221A灌注該治療藥物，讓該治療藥物分流至該等試驗區210中。其中，利用該幫浦自動灌流裝置灌注該治療藥物，是為了模擬進行溫熱化療時以灌注方式將化療藥物注入人體的腹腔或胸腔的治療情境。

參閱圖2，該通透性薄膜3設置在藥物試驗用晶片2與該腫瘤微環境模擬用晶片1間。該通透性薄膜3用來供在該微環境建立單元11中產生的酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度擴散至該試驗單元21，進而在該試驗單元21中模擬出酸性、鹼性及/或不同氧氣濃度的腫瘤微環境，從而供該治療藥物與該細胞水膠在此模擬出的腫瘤微環境中進行相互作用。該通透性薄膜3的材質不限，只要具有氣體通透性且能隔離該微環境建立單元11與該試驗單元21即可，在本實施例中，該通透性薄膜3的材質是聚二甲基矽氧烷(簡稱PDMS)。

參閱圖1，該加熱設備4包括一加熱裝置41、一測溫裝置42及一控溫裝置43。該加熱裝置41用來加熱該藥物試驗用晶片2，該測溫裝置42用來量測該藥物試驗用晶片2的溫度以產生一個訊號，該控溫裝置43用來接受該訊號從而控制該加熱裝置41的加熱溫度。利用該加熱設備4加熱該藥物試驗用晶片2，是為了模擬進行溫熱化療時將化療藥物加溫後注入人體的腹腔或胸腔的治療情境，在該藥物試驗用晶片2的該試驗單元21中模擬出溫熱的腫瘤微環境，從而供該治療藥物與該細胞水膠在此模擬出的腫瘤微環境中進行相互作用。

綜上所述，本發明模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台透過該微環境建立單元11以化學方式模擬出用來模擬腫瘤微環境的酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度，該酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度經由該通透性薄膜3擴散至該藥物試驗用晶片2的該試驗單元21，並選擇性地透過該加熱設備4在該試驗單元21中模擬出溫熱的腫瘤微環境，使該試驗單元21中的治療藥物與細胞水膠在上述模擬出的腫瘤微環境中進行相互作用，從而得到精確的測試結果。此外，透過該試驗單元21及該流道單元22的設計及搭配，還能選擇性地進行三種治療藥物及兩種細胞水膠的測試，從而進行一次測試可得到十八種精確的測試結果，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1:腫瘤微環境模擬用晶片 11:微環境建立單元 110:化學反應區 111:反應腔室 12:輸入單元 120:輸入流道 121:注入段 122:分流段 13:輸出單元 130:輸出流道 131:排出段 2:藥物試驗用晶片 21:試驗單元 210:試驗區 211:試驗腔室 22:流道單元 221:第一流道部 221A:第一出入口 221B:多叉型連接段 222:第二流道部 222A:分流結構 222B:孔部 222C:承接段 3:通透性薄膜 4:加熱設備 41:加熱裝置 42:測溫裝置 43:控溫裝置

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台的一實施例的一俯視示意圖； 圖2是該實施例的一側視示意圖； 圖3是該實施例的一腫瘤微環境模擬用晶片的一俯視圖；及 圖4是該實施例的一藥物試驗用晶片的一俯視圖。

1:腫瘤微環境模擬用晶片

11:微環境建立單元

110:化學反應區

2:藥物試驗用晶片

21:試驗單元

210:試驗區

4:加熱設備

41:加熱裝置

42:測溫裝置

43:控溫裝置

Claims (10)

1. 一種模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，包含： 一個腫瘤微環境模擬用晶片，包括一個微環境建立單元，該微環境建立單元用於供化學反應進行以產生用來模擬腫瘤微環境的酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度； 一個藥物試驗用晶片，包括一個試驗單元，該試驗單元用於供治療藥物與細胞水膠進行相互作用，且該試驗單元的正投影落在該微環境建立單元上；及 一個通透性薄膜，設置在該腫瘤微環境模擬用晶片與該藥物試驗用晶片之間，用來供在該微環境建立單元中產生的該酸性氣體、鹼性氣體及/或氧氣濃度擴散至該試驗單元。
2. 如請求項1所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該微環境建立單元具有二個互呈對向設置的化學反應區，每一個化學反應區具有多個間隔排列的反應腔室，該化學反應是在該等反應腔室中進行。
3. 如請求項2所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該腫瘤微環境模擬用晶片還包括與該微環境建立單元連通的一輸入單元及一輸出單元。
4. 如請求項3所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該輸入單元具有二個互呈對向設置且分別連接該等化學反應區的輸入流道，每一個輸入流道具有多個注入段，及多個將該等注入段與該等反應腔室連通的分流段。
5. 如請求項3所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該輸出單元具有二個設置在該等化學反應區之間且分別連接該等化學反應區的輸出流道，每一個輸出流道具有一個呈分叉而與相對應的該等反應腔室連通的排出段。
6. 如請求項1所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該試驗單元具有二個互呈對向設置的試驗區，每一個試驗區具有多個間隔排列的試驗腔室，該治療藥物與該細胞水膠的相互作用是在該等試驗腔室中進行。
7. 如請求項6所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該藥物試驗用晶片還包括一個連通該試驗單元的流道單元。
8. 如請求項7所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該流道單元具有 一個第一流道部，設置在該等試驗區之間且連接該等試驗區，該第一流道部具有多個彼此間隔的第一出入口，及一個串聯該等第一出入口且分成多叉而將該等第一出入口與該等試驗腔室連通的多叉型連接段，及 二個第二流道部，該等第二流道部互呈對向設置且分別連接該等試驗區，每一個第二流道部具有多個與鄰近的該試驗區連接的分流結構，每一個分流結構具有二個彼此相間隔的孔部，及一個呈分叉而將該等孔部與鄰近的該等試驗腔室連通的承接段。
9. 如請求項1所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，還包含一個用來加熱該藥物試驗用晶片的加熱設備。
10. 如請求項9所述的模擬腫瘤微環境的藥物篩選平台，其中，該加熱設備包括一加熱裝置、一測溫裝置及一控溫裝置，該加熱裝置用來加熱該藥物試驗用晶片，該測溫裝置用來量測該藥物試驗用晶片的溫度以產生一訊號，該控溫裝置用來接受該訊號從而控制該加熱裝置的加熱溫度。

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