Science子刊：膠質(zhì)母細(xì)胞瘤體外3D模型的長(zhǎng)期藥效評(píng)價(jià)

來(lái)源： EngineeringForLife

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）是一種侵襲性很強(qiáng)的惡性腦腫瘤，并且由于GBM的異質(zhì)性，腫瘤細(xì)胞在幾個(gè)月的治療周期中不斷發(fā)生表型變化而時(shí)常出現(xiàn)治療抵抗。因此，對(duì)于GBM的治療迫切需要開(kāi)發(fā)能夠快速和預(yù)測(cè)性地評(píng)估候選藥物的有效模型系統(tǒng)。如今，研究GBM的金標(biāo)準(zhǔn)仍然是動(dòng)物模型，但是這些動(dòng)物模型需要高精度的顱骨手術(shù)，有炎癥和動(dòng)物丟失的風(fēng)險(xiǎn)，并且具有高樣本可變性。另一方面，GBM體外模型例如單層細(xì)胞培養(yǎng)雖然具有可定制、高重復(fù)性以及低成本的優(yōu)點(diǎn)，但是其缺乏長(zhǎng)期的細(xì)胞培養(yǎng)能力和三維腫瘤微環(huán)境構(gòu)建能力。

此外，精確的GBM體外三維模型需要具有一定的體積厚度以維持細(xì)胞的長(zhǎng)期生存能力，這樣便由于細(xì)胞數(shù)量的增加和細(xì)胞分泌的ECM成分的沉積，腫瘤組織結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越渾濁。傳統(tǒng)的成像技術(shù)評(píng)估該模型樣品在速度、深度和分辨率之間存在很大的限制，因此急需一種無(wú)創(chuàng)、快速的深部組織成像技術(shù)來(lái)成像具有適當(dāng)微環(huán)境設(shè)計(jì)的體外厚三維腫瘤模型并進(jìn)行縱向研究。

近期發(fā)表在Science Advances雜志上題為” High-resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastomatumor model under long-term drug treatment”的文章，來(lái)自特洛伊倫斯勒理工學(xué)院的Xavier Intes團(tuán)隊(duì)和美國(guó)波士頓東北大學(xué)的Guohao Dai團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)集成平臺(tái)，該平臺(tái)能夠生成（i）一個(gè)具有灌注血管通道的體外3D-GBM模型，該模型允許長(zhǎng)期培養(yǎng)和藥物輸送，（ii）一個(gè)能夠使研究人員在整個(gè)體外模型上無(wú)創(chuàng)地評(píng)估縱向熒光信號(hào)的3D成像系統(tǒng)-2GMFMT（介觀熒光分子層析成像）。

圖1  三維腫瘤組織模型和2GMFMT成像系統(tǒng)。與顯微磁共振成像（MRI）和激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）相比，2GMFMT在GBM腦腫瘤體積評(píng)估方面具有更好的數(shù)據(jù)采集時(shí)間和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)性

傳統(tǒng)的GBM體外模型如2D細(xì)胞單層（圖2A-B）和3D球體懸�。▓D2C-D），由于缺乏周?chē)�基質(zhì)，均未能再現(xiàn)腫瘤的侵襲特征。因此，團(tuán)隊(duì)成員將長(zhǎng)期流式培養(yǎng)和腫瘤球融合，首先生物3D打印了GBM腫瘤血管模型并動(dòng)態(tài)灌流培養(yǎng)70天（圖2E）。在培養(yǎng)期間，植入的GBM球體開(kāi)始入侵周?chē)�基質(zhì)（26天），在TMZ藥物治療（14天）后，腫瘤核心開(kāi)始收縮，然而某些GBM細(xì)胞治療后存活下來(lái)，并重新開(kāi)始活躍地侵襲（31天）。這種三維GBM腫瘤血管模型的結(jié)構(gòu)完整性并能使細(xì)胞活力得以維持，表明了所開(kāi)發(fā)平臺(tái)的長(zhǎng)期培養(yǎng)和成像能力。

圖2  不同培養(yǎng)條件下GBM細(xì)胞的藥物反應(yīng)

然后，團(tuán)隊(duì)成員將開(kāi)發(fā)的2GMFMT成像系統(tǒng)與激光掃描共聚焦（LSCM）和顯微磁共振成像（μMRI）對(duì)比，以體積誤差和球形度量化指標(biāo)證明了其在深度穿透和成像分辨率方面的三維成像性能（圖3）。

圖3  成像系統(tǒng)渲染圖像和靈敏度特征

為了進(jìn)一步驗(yàn)證三維GBM腫瘤血管模型結(jié)合2GMFMT成像系統(tǒng)在研究GBM腫瘤模型方面的潛力，團(tuán)隊(duì)成員基于二維強(qiáng)度區(qū)域比較（圖4）和三維重建體積（圖5）比較【以腫瘤直徑即橫截面積和腫瘤體積作為量化指標(biāo)評(píng)估治療效果和疾病復(fù)發(fā)】，利用2GMFMT、寬場(chǎng)熒光顯微鏡（WFFM）、LSCM成像方式，連續(xù)觀測(cè)上述打印的腫瘤模型長(zhǎng)達(dá)70天，涵蓋腫瘤生長(zhǎng)情況和藥物方案。總結(jié)來(lái)說(shuō)，2GMFMT可以以等效或更高的靈敏度收集與當(dāng)前無(wú)損成像方式（例如腫瘤面積和熒光強(qiáng)度變化）相同的測(cè)量值。此外，它在三維可視化和在厚而不透明的組織結(jié)構(gòu)中的GBM腫瘤生長(zhǎng)的體積監(jiān)測(cè)方面具有優(yōu)越的性能。

圖4 GBM腦腫瘤的縱向強(qiáng)度評(píng)價(jià)（腫瘤樣品:1）

圖5  GBM腦腫瘤的縱向體積評(píng)估

綜上而言，為了在體外實(shí)現(xiàn)對(duì)GBM腫瘤治療效果的有效評(píng)估，構(gòu)建的模型需要滿(mǎn)足以下4個(gè)要求：（1）使用患者來(lái)源的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞；（2）可控的三維微環(huán)境，為三維腫瘤侵襲提供空間和刺激；（3）長(zhǎng)期培養(yǎng)和成像能力；（4）可以縱向檢測(cè)厚而不透明組織內(nèi)腫瘤細(xì)胞的無(wú)創(chuàng)成像方式。該團(tuán)隊(duì)的研究成果能夠滿(mǎn)足這些要求，生物打印腫瘤血管模型和2GMFMT成像系統(tǒng)的集成平臺(tái)支持比傳統(tǒng)模式更快的采集時(shí)間，并最大限度地減少組織損傷，從而能夠以更高的時(shí)間分辨率成功地進(jìn)行腫瘤侵襲的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。并且在藥物治療前后進(jìn)行的GBM腦腫瘤的縱向體積評(píng)估顯示了該平臺(tái)在建立患者特異性腫瘤模型方面的潛力及其在測(cè)試各種治療方案（如化療、放療和多種治療組合）方面的應(yīng)用。

論文信息：
Ozturk Mehmet S, Lee Vivian K, Zou Hongyan, Friedel Roland H, IntesXavier, Dai Guohao. High-resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastoma tumor model under long-term drug treatment.[J]. Science advances,2020,6(10).
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.aay7513