浙江大學(xué)：3D打印構(gòu)建全血管網(wǎng)絡(luò)及腫瘤-血管相互作用初探

來源：EngineeringForLife

人體的營養(yǎng)輸送、藥物作用、腫瘤遷移等主要依賴血供系統(tǒng)，因而血供循環(huán)系統(tǒng)（動(dòng)脈-毛細(xì)血管-靜脈）的體外重建可為從整體角度模擬人體的各種生理行為提供可能。這個(gè)系統(tǒng)重建主要有兩個(gè)要點(diǎn)：
1）尺寸上要包含數(shù)mm的血管到數(shù)10微米的毛細(xì)血管這樣一個(gè)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)；
2）這個(gè)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)要具有血管的很多生理功能。

在載有細(xì)胞的生物材料（水凝膠）內(nèi)建立完整的血供循環(huán)系統(tǒng)（動(dòng)脈-毛細(xì)血管-靜脈）對(duì)構(gòu)建體外生理病理模型具有十分重大的意義。但是現(xiàn)有的血管構(gòu)建手段普遍局限在某一特定的尺度范圍內(nèi)，并且對(duì)于毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)的重現(xiàn)十分有限，大多依靠昂貴的化學(xué)誘導(dǎo)。此外，迄今為止缺乏一種靈活構(gòu)建個(gè)性化組織器官體外模型的通用方法，這嚴(yán)重制約了疾病研究以及藥物開發(fā)的進(jìn)展。

有沒有可能發(fā)展出可以同時(shí)構(gòu)造包含大血管和毛細(xì)血管的整個(gè)血管網(wǎng)絡(luò)的新方法？有沒有可能發(fā)展出一種可以靈活構(gòu)建具有個(gè)性化結(jié)構(gòu)和功能的體外模型的新方法？考慮到水凝膠材料有優(yōu)異生物兼容性，這幾年浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授課題組一直在探索直接基于水凝膠直接構(gòu)造微流控芯片以及體外組織/器官模型。包括用生物3D打印的方法直接打印血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Biomaterial,2015,61,203-215;ACS biomaterials science & engineering, 2017,3, 99-408;Small,2018,14,1802630; Small,2018,14,1802187等），利用水凝膠的交聯(lián)特性提出了水凝膠微流控芯片全新的封裝思路，二次交聯(lián)封裝方法（Small，2018,14,1802368）。

近期課題組發(fā)明了一種在水凝膠材料上制造多級(jí)血管網(wǎng)絡(luò)的新方法：通過課題組研發(fā)的高精度3D打印機(jī)打印多級(jí)的流道網(wǎng)絡(luò)模板，利用二次交聯(lián)原理實(shí)現(xiàn)水凝膠流道的封裝。我們成功的在體外重建的完整的血供網(wǎng)絡(luò)（動(dòng)脈-毛細(xì)血管-靜脈），以及高度分叉網(wǎng)絡(luò)，螺旋血管，血管狹窄等。建立了具有功能性血管網(wǎng)絡(luò)的大塊乳腺腫瘤組織。

考慮到目前腫瘤致病機(jī)理研究一直缺乏可靠的體外平臺(tái)，我們還探究了一個(gè)設(shè)想：有無可能在體外觀測到腫瘤的轉(zhuǎn)移行為？（腫瘤細(xì)胞何時(shí)能侵入血管，何時(shí)又再穿透血管實(shí)現(xiàn)腫瘤轉(zhuǎn)移？）為此我們基于多級(jí)血管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個(gè)血管-腫瘤共培養(yǎng)模型，為研究腫瘤和血管之間的相互作用提供了新思路。在此模型上進(jìn)行了腫瘤細(xì)胞的遷移模擬，抗腫瘤藥物的篩選，以及腫瘤發(fā)展過程的模擬。內(nèi)置血管為研究腫瘤細(xì)胞跨內(nèi)皮行為以及血管對(duì)藥物的屏障功能提供了可行的工具。這一新方法還可用于構(gòu)造更多有意義的體外模型，有望廣泛應(yīng)用于含血管結(jié)構(gòu)的體外病理模型的構(gòu)建中。

圖1. 多尺度血管芯片構(gòu)建流程（1、多級(jí)流道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；2、高精度模版打印；3、水凝膠澆注；4、模版去除；5、通過二次交聯(lián)鍵合上下兩片水凝膠；6、細(xì)胞加載）

圖2.高精度3D打印相關(guān)工藝參數(shù)與流道網(wǎng)絡(luò)圖案（融合了擠出及近場直寫兩種3D打印工藝，可實(shí)現(xiàn)3μm的打印精度）

為了驗(yàn)證此方法構(gòu)造多尺度結(jié)構(gòu)的可行性以及個(gè)性化結(jié)構(gòu)的靈活性，研究者分別構(gòu)建了不同尺度的血管流道，并構(gòu)造了多種具有生理學(xué)意義的形態(tài)的血管模型：分叉血管網(wǎng)絡(luò)、螺旋血管、血管狹窄。

圖3.具有不同尺度和形態(tài)的內(nèi)皮化流道

為了驗(yàn)證此方法用于構(gòu)建大塊血管化組織的能力，研究者利用此方法構(gòu)建了一個(gè)包含有內(nèi)部功能化血管網(wǎng)絡(luò)的乳腺腫瘤組織，內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出血管的生理學(xué)和病理學(xué)功能。

圖4. 血管化的腫瘤組織模型

為了初步探索腫瘤組織與血管之間的相互作用，研究者設(shè)計(jì)并構(gòu)造了一個(gè)平行流道模型用于腫瘤組織和血管的共培養(yǎng)。并在此模型上模擬了腫瘤細(xì)胞的遷移行為，以及血管對(duì)抗腫瘤藥物的內(nèi)皮屏障功能。

圖5.腫瘤細(xì)胞遷移和抗腫瘤藥物篩選

腫瘤的發(fā)展經(jīng)歷了一系列階段，借助于平行流道模型，研究人員重現(xiàn)了腫瘤發(fā)展過程中的幾個(gè)關(guān)鍵步驟：原位腫瘤形成，腫瘤血管化，以及腫瘤細(xì)胞向血管的遷移。

圖6. 腫瘤發(fā)展過程模擬

本研究提出了一種多尺度血管芯片，并提供了一種靈活構(gòu)建帶有血管結(jié)構(gòu)的生理模型的通用策略。借助于此結(jié)合多尺度三維打印以及二次交聯(lián)的工藝，科研人員將能夠構(gòu)建一系列體外模型用于生物醫(yī)學(xué)研究，如腫瘤發(fā)展過程的研究，腫瘤和血管相互作用的探索，以及抗腫瘤藥物的篩選等。

相關(guān)論文“Construction of multi-scale vascular chips and modelling of theinteraction between tumours and blood vessels”已被RSC雜志社的旗艦期刊MaterialsHorizons（IF=14.356）錄用。聶晶博士生、高慶博士后及謝超淇博士生共一，賀永教授為通訊作者。論文鏈接：https://doi.org/10.1039/C9MH01283D。

課題組的研究工作獲得了國家優(yōu)秀青年基金、國家基金兩化融合聯(lián)合基金重點(diǎn)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助，特此表示感謝。