AM：生物3D打印重建具有腫瘤微環(huán)境的體外轉(zhuǎn)移模型

來源：EngineeringForLife

具備天然腫瘤微環(huán)境主要特征的3D體外模型的開發(fā)可以大大凸顯潛在抗癌藥物和治療方法的功效。近期，明尼蘇達(dá)大學(xué)Michael C.McAlpine團(tuán)隊發(fā)表在Advanced Materials雜志上題為“3D Bioprinted In Vitro Metastatic Models via Reconstructionof Tumor Microenvironments”的文章，通過3D生物打印技術(shù)將活細(xì)胞、功能化生物材料和可編程釋放的膠囊精確放置來構(gòu)建腫瘤體。這使信號分子梯度的時空控制成為可能，從而在局部水平上動態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)胞行為。在基質(zhì)細(xì)胞和生長因子的背景下，基于基質(zhì)細(xì)胞和生長因子引導(dǎo)腫瘤細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞遷移，建立了血管化腫瘤模型來模擬腫瘤擴散的關(guān)鍵步驟(侵襲、血管內(nèi)滲和血管生成)。通過評估免疫毒素的抗癌功效，證明了轉(zhuǎn)移模型在藥物篩選中的實用性。這些3D帶血管的腫瘤組織提供了一個概念驗證平臺，可用于：i）從根本上探索腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移的分子機制，以及ii）臨床前鑒定治療藥物和篩選抗癌藥物。

潛在抗癌藥物和治療方法的臨床表征面臨的一個主要挑戰(zhàn)是候選藥物在體外與體內(nèi)的功效差異。實際上，常用的2D單層細(xì)胞平面培養(yǎng)的模型通常難以準(zhǔn)確地概括天然腫瘤微環(huán)境的特征。為了更好地獲得活組織的特異性和復(fù)雜性， 3D培養(yǎng)平臺已被開發(fā)用于重建機體細(xì)胞間以及細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）間的相互作用。生物3D打印技術(shù)為復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的體外設(shè)計和制造提供了一種新的方法，它允許大量的活細(xì)胞組合和支撐陣列空間的精確控制集成，從而使各種組織工程具有很好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。在這項研究中，Michael C.McAlpine團(tuán)隊通過物理和化學(xué)手段設(shè)計和構(gòu)建體外腫瘤模型，以近似腫瘤微環(huán)境特性，這些特性對轉(zhuǎn)移性擴散的幾個關(guān)鍵過程至關(guān)重要，包括侵襲、血管內(nèi)灌注和血管生成。利用3D生物打印技術(shù)，將腫瘤細(xì)胞簇、基質(zhì)細(xì)胞、灌注血管細(xì)胞按其生理功能精確排布。

轉(zhuǎn)移模型的概念設(shè)計如圖1所示。首先，通過3D打印的刺激-響應(yīng)微膠囊的可控釋放，模擬腫瘤組織的化學(xué)環(huán)境，并指導(dǎo)細(xì)胞遷移，在3D水凝膠基質(zhì)中動態(tài)生成細(xì)胞外生物分子梯度。其次，可灌注血管被引入，進(jìn)而產(chǎn)生循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTCs)。最后，多種趨化途徑被編程來指導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的侵襲和血管生成，創(chuàng)建一個轉(zhuǎn)移模型來概括癌癥擴散的開始。

圖1 模擬轉(zhuǎn)移擴散過程的3D打印體外腫瘤模型

3D打印可編程釋放膠囊由激光照射觸發(fā)(圖2a)，用于在時間和空間上創(chuàng)建趨化因子梯度。為了模擬腫瘤組織的動態(tài)化學(xué)環(huán)境，我們使用了刺激-響應(yīng)核殼膠囊。本研究選擇了甲基丙烯酸化水凝膠(GelMA)作為支撐材料，而不是使用粘稠的水溶液，因為該凝膠此前已被證明在藥物控釋方面的應(yīng)用，選用天然纖維蛋白水凝膠作為三維基質(zhì)，其生物相容性和生物降解性使其成為腫瘤模型基質(zhì)的主要成分，使細(xì)胞能夠?qū)ψ陨淼募?xì)胞外微環(huán)境進(jìn)行改造。我們封裝了表皮生長因子（EGF），以測試核殼膠囊有效載荷釋放進(jìn)行時空控制的可行性。圖2b顯示了激光在纖維蛋白凝膠內(nèi)連續(xù)2天從單個膠囊中逐漸釋放EGF 的過程，并通過膠囊內(nèi)熒光強度隨時間的降低定量分析。

圖2 3D打印可編程釋放膠囊在纖維蛋白凝膠中產(chǎn)生的生長因子梯度

接下來，Michael C.McAlpine團(tuán)隊設(shè)計實驗驗證了可編程釋放膠囊產(chǎn)生的EGF梯度是否可以用來引導(dǎo)腫瘤細(xì)胞遷移。如圖3a所示，在一個設(shè)計好的培養(yǎng)室內(nèi)，在線性排列的趨化因子膠囊(右)和空白對照膠囊(左)之間打印一滴載有綠色熒光蛋白(GFP) -A549肺癌細(xì)胞的纖維蛋白(圖3b)。為了產(chǎn)生持久的EGF梯度，從最接近細(xì)胞液滴的膠囊開始，膠囊被連續(xù)2天破裂。PLGA外殼在水凝膠中經(jīng)歷緩慢的水解，導(dǎo)致有效載荷的有限被動釋放。

圖3 用EGF膠囊陣列引導(dǎo)腫瘤細(xì)胞遷移

與動態(tài)化學(xué)環(huán)境一樣，血管通路是一種常見的轉(zhuǎn)移途徑，也是仿生腫瘤模型的一個關(guān)鍵組成部分，如圖1所示�；�于特定設(shè)計的培養(yǎng)室使用引腳模型創(chuàng)建微通道，通過毛細(xì)管作用直接注射HUVEC懸液使血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)皮化(圖3 b),通過灌注熒光染料標(biāo)記的液體（通過添加甘油調(diào)節(jié)至與血液相似的粘度）證明血管腔的通暢且沒有瞬時泄漏到周圍的基質(zhì)中（圖3c）。

圖4 腫瘤遷移模型

為了突出3D腫瘤模型在模擬靶細(xì)胞的體內(nèi)微環(huán)境中的優(yōu)勢，Michael C. McAlpine等人將生物3D打印的腫瘤模型中的免疫毒素與2D單層培養(yǎng)的A549的抗癌作用進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在存在成纖維細(xì)胞的情況下，腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出較低的增殖能力和對靶向毒素的敏感性。這意味著當(dāng)摻入到凝膠中時，成纖維細(xì)胞的擴散速度和/或藥物的結(jié)合速度較慢。因此，與傳統(tǒng)的2D單層培養(yǎng)相比，這些3D腫瘤模型可以提供對藥物體內(nèi)細(xì)胞反應(yīng)的更有意義的理解，包括細(xì)胞間和細(xì)胞與ECM間的相互作用，藥物的內(nèi)皮通透性以及基質(zhì)的影響。

圖5 使用三維腫瘤遷移模型進(jìn)行抗癌藥物的篩選

總的來說，生物3D打印構(gòu)建的工程模型可以以物理和化學(xué)的方式重建具有高時空分辨率的腫瘤微環(huán)境，從而為腫瘤治療提供以下工具：i）推進(jìn)3D組織工程以動態(tài)模擬體內(nèi)天然微系統(tǒng)并具有后期調(diào)制功能；ii）進(jìn)一步了解腫瘤轉(zhuǎn)移性傳播，iii）篩選新型抗癌藥物，以及（iv）測試特定的診斷和治療策略。

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.xile ... 1002/adma.201806899