美國大學(xué)教授利用3D打印技術(shù)推進(jìn)癌癥研究

來源：中關(guān)村在線

美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)（VCU）人文與科學(xué)學(xué)院的一名助理教授利用3D打印技術(shù)制造出了腫瘤細(xì)胞的活體模型，這可能使癌癥研究人員能夠更好地了解疾病的進(jìn)展。

VCU的博士、助理教授Daeha Joung發(fā)明了構(gòu)建腫瘤構(gòu)造的新穎方法。這種新技術(shù)可以精確地放置和控制活細(xì)胞，更有效地模仿癌癥傳播的關(guān)鍵步驟。這種方法可以讓VCU的Massey癌癥中心的研究人員最大限度地研究癌細(xì)胞的生長，并評估抗癌免疫毒素的效果。

助理教授Joung表示，這種新穎的技術(shù)可以用于癌癥藥物的試驗(yàn)。圖片來源：VCU

從2D打印技術(shù)在癌癥研究中的發(fā)展
來自德國歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在2018年12月的研究中發(fā)現(xiàn)，2D結(jié)構(gòu)難以準(zhǔn)確復(fù)制原生腫瘤微環(huán)境的特征。研究發(fā)現(xiàn)，3D細(xì)胞培養(yǎng)物可以建立細(xì)胞間的相互作用，可以更好地模仿真實(shí)組織的特異性，這樣做的速度更快，表現(xiàn)出更復(fù)雜的行為。

然而，Joung認(rèn)為，由于腫瘤細(xì)胞的運(yùn)動受各種化學(xué)信號的調(diào)節(jié)，腫瘤的轉(zhuǎn)移性仍然是目前模型的主要預(yù)后和治療挑戰(zhàn)。因此，需要一個更精確的模型，將腫瘤微環(huán)境中的這些元素納入其中，并能夠研究發(fā)生在身體遠(yuǎn)處的多層次相互作用。"已經(jīng)開發(fā)了許多策略來克服這些障礙，但并不完全成功，"Joung解釋道。"我可以利用物理學(xué)、納米技術(shù)和工程來克服這些障礙，并提供了一個獨(dú)特的見解，可能為癌癥的新治療方案打開了大門。"

Joung的方法通過使用3D生物打印和受折紙啟發(fā)的自折疊技術(shù)來創(chuàng)建復(fù)雜的多材料、多尺度和多功能的3D結(jié)構(gòu)，解決了這些限制。這使得活體細(xì)胞和支持性基質(zhì)的眾多組合可以在精確的空間控制下整合，從而實(shí)現(xiàn)了具有良好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景的組織工程化。

3D打印的微膠囊如何工作的可視化演示 圖片來自VCU

制造3D打印的細(xì)胞控制膠囊
3D打印的刺激反應(yīng)膠囊使Joung能夠控制這些結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞。含有一個水核，以及功能分子因子和質(zhì)子金納米棒（AuNRs）的有效載荷，這些微觀的膠囊允許在3D基質(zhì)中觸發(fā)釋放化學(xué)線索。一旦使用激光輻射激活，Joung能夠在局部水平上操縱細(xì)胞行為。當(dāng)這一點(diǎn)與3D細(xì)胞打印結(jié)合在一起時，它允許創(chuàng)建復(fù)雜的腫瘤構(gòu)建體，這些構(gòu)建體使用多路化學(xué)信號進(jìn)行控制。

為了展示膠囊的空間控制，Joung打印了一個包含不同體積的核心陣列，通過部署UV激光可以精確地觸發(fā)這些核心。利用3D打印技術(shù)，Joung能夠在相同的條件下平行測試五組遷移樣品。這種方法還允許他在必要時添加材料，并對所生產(chǎn)的細(xì)胞進(jìn)行定制，以顯示不同的行為。

作為該技術(shù)的成果，Massey的科學(xué)家們將能夠向Joung提供癌癥組織樣本，然后規(guī)定他們需要制造的特定設(shè)計或腫瘤結(jié)構(gòu)。然后，利用機(jī)器人機(jī)構(gòu)和定制的3D打印技術(shù)，Joung將調(diào)整被復(fù)制和打印的細(xì)胞類型的數(shù)量和具體配置。

而這又可以使未來的研究人員能夠篩選出新型的抗癌藥物，并測試針對患者的診斷和治療策略。"從工程的角度來看，癌癥是癌癥，所以我的實(shí)驗(yàn)室可以制造出許多不同類型的腫瘤組織仿制物。"Joung說。"如果有人對肺癌感興趣，我們可以打印出肺癌細(xì)胞。如果有人對乳腺癌細(xì)胞感興趣，我們也可以打印出那些細(xì)胞，"他補(bǔ)充說。

Joung的野心是設(shè)計出先進(jìn)的3D系統(tǒng)的綜合平臺，應(yīng)用于癌癥神經(jīng)再生模型，為測試治療疾病的治療方案開辟了新的機(jī)會。

利用Jiang的方法，梅西中心的研究人員可以測試治療癌癥的治療方案。圖片來源：VCU的梅西中心

3D打印的抗癌方法
來自其他學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家和研究人員也利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了活體3D細(xì)胞模型，目的是為了更好地了解和治療癌性腫瘤。2020年4月，來自美國和德國的研究人員提出了一種研究膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）的新方法，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是一種侵襲性的腦癌類型。他們使用了一系列以灌注血管通道為特征的人類腦細(xì)胞和生物材料，實(shí)現(xiàn)了長期培養(yǎng)和給藥。三維成像技術(shù)被總結(jié)用于組織構(gòu)建物的無創(chuàng)評估。

新西蘭懷卡托大學(xué)的一名碩士生在2018年8月宣布，她計劃在設(shè)計出3D打印的塑料腫瘤模型后，利用真實(shí)細(xì)胞生長和測試癌癥腫瘤。這些生物打印的模型的基礎(chǔ)是一系列類似于乳腺癌腫瘤的手掌大小的網(wǎng)狀半球。

來自比利時Katholieke大學(xué)魯汶分校和印度海得拉巴德理工學(xué)院的研究人員在2017年6月發(fā)布了研究報告，調(diào)查了3D打印如何用于癌癥研究。雖然這兩篇論文都強(qiáng)調(diào)了利用3D打印創(chuàng)造微環(huán)境的潛力，但印度研究人員提出了能夠精確放置細(xì)胞并在體內(nèi)復(fù)制腫瘤微環(huán)境的可能性。

研究人員的研究結(jié)果詳見于他們題為 "3D生物打印的體外轉(zhuǎn)移模型通過重建腫瘤微環(huán)境 "的論文，該論文發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上，由Fanben Meng、Carolyn M. Meyer、Daeha Joung、Daniel A. Vallera、Michael C. McAlpine和Angela Panoskaltsis-Mortari共同撰寫。