生物3D打印膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境模擬細(xì)胞依賴性和免疫相互作用

來源： EngineeringForLife

腦腫瘤是一個(gè)含有多種細(xì)胞類型的動(dòng)態(tài)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，是包含多種細(xì)胞類型以及多組分相互作用的復(fù)雜組織。腫瘤細(xì)胞與周圍基質(zhì)之間的相互作用促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生，發(fā)展和轉(zhuǎn)移。然而，大多數(shù)癌癥研究都在研究癌細(xì)胞的單獨(dú)培養(yǎng)，且在含有物種不匹配血清的非生理粘附條件下進(jìn)行培養(yǎng)。當(dāng)前的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究僅基于基因組改變以及分子通路驅(qū)動(dòng)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化，對于最普遍和致命的原發(fā)性內(nèi)源性腦腫瘤——腦膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的臨床實(shí)踐來說相對有限。

相比于2D培養(yǎng)，患者來源的異種移植和基因工程小鼠模型可提供有用的信息并能更好地概括組患者腦腫瘤的基因和轉(zhuǎn)錄譜。雖然這些研究提供了有關(guān)癌細(xì)胞依賴性的寶貴見解，但是卻無法探究在適當(dāng)生理?xiàng)l件下，腫瘤細(xì)胞與基質(zhì)細(xì)胞或微環(huán)境的相互作用，因而限制了其廣泛臨床應(yīng)用。此外，在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤等含有免疫細(xì)胞的腫瘤研究中，異體移植受到限制，這是由于免疫功能低下的動(dòng)物阻礙了癌癥生物學(xué)中免疫細(xì)胞的研究。

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的一種主要微環(huán)境特征是巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞對腫瘤塊的顯著浸潤。在發(fā)展性或復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞占腫瘤體積的很大一部分。為了更好地研究其生理病理過程，開發(fā)了構(gòu)建自組織三維（3D）共培養(yǎng)系統(tǒng)，即類器官的方法。在癌癥研究中，類器官系統(tǒng)可作為結(jié)直腸癌模型，乳腺癌模型，肝癌和膽管癌模型，胰腺癌模型，以及膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型等。

組織工程學(xué)方法的進(jìn)一步發(fā)展啟發(fā)了新的3D培養(yǎng)系統(tǒng)，具有更好的可擴(kuò)展性以及調(diào)節(jié)特定生物學(xué)參數(shù)的能力，包括細(xì)胞組成和細(xì)胞外基質(zhì)剛度。生理相關(guān)的腦腫瘤微環(huán)境的發(fā)展需要小心考慮特定腫瘤類型基質(zhì)和細(xì)胞組分的生物物理和生化特性，可以借助生物3D打印的最新進(jìn)展以及為生物打印過程特別設(shè)計(jì)的生物材料來實(shí)現(xiàn)。通過使用快速生物3D打印平臺(tái)，研究人員可以研究生理相關(guān)條件下的功能依賴性和多細(xì)胞相互作用。整合巨噬細(xì)胞的生物打印結(jié)構(gòu)可以概括患者來源的轉(zhuǎn)錄譜，預(yù)測患者存活，維持干性，侵襲性以及藥物抗性。相對于球形培養(yǎng)，使用生物打印的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行全基因組CRISPR篩選，可確定GSC中獨(dú)特的分子依賴性。多細(xì)胞生物打印模型可作為可擴(kuò)展的生理平臺(tái)來詢問藥物敏感度，細(xì)胞串?dāng)_，侵襲，特定功能依賴性，以及物種匹配神經(jīng)環(huán)境下的免疫相互作用。

為了在一個(gè)可復(fù)制可擴(kuò)展的系統(tǒng)中模擬腦腫瘤的微環(huán)境，研究人員開發(fā)了一種快速生物3D打印方法來構(gòu)建具有臨床意義的仿生組織模型。在復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞顯著地促進(jìn)了腫瘤塊。為了解析巨噬細(xì)胞在3D狀態(tài)下的功能，研究人員比較了在有或沒有巨噬細(xì)胞的條件下，神經(jīng)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞（GSC）的單獨(dú)生長或者在富含透明質(zhì)酸的水凝膠中與星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)前體細(xì)胞共同生長。

研究人員采用快速生物3D打印系統(tǒng)和可光交聯(lián)的天然ECM衍生物來構(gòu)建膠質(zhì)母細(xì)胞瘤這一高度致死性腦腫瘤的仿生3D癌癥微環(huán)境。該模型包含富含HA的水凝膠內(nèi)的患者來源的GSC細(xì)胞，巨噬細(xì)胞，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞（NSC）。在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，研究人員首先描述了概括腫瘤結(jié)構(gòu)的類器官系統(tǒng)，微環(huán)境梯度和腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性。其他膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型利用人類胚胎干細(xì)胞衍生的腦類器官來研究膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞（GSC）和正常的大腦成分的相互作用，包括浸潤，微環(huán)境刺激和對治療的反應(yīng)。

當(dāng)前多數(shù)模型只聚焦于體內(nèi)情境的某一方面或者使用非人體細(xì)胞，降低了其應(yīng)用于臨床的能力。為了更好地模擬高度致死的腦癌，研究人員利用光投影式生物3D打印系統(tǒng)來模擬膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。利用生物3D打印來構(gòu)建膠質(zhì)母細(xì)胞細(xì)胞和其他基質(zhì)細(xì)胞的共培養(yǎng)模型，或制造HA水凝膠來模擬腦細(xì)胞外基質(zhì)。首次報(bào)道了基于人體細(xì)胞的3D膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型來概括復(fù)雜腫瘤微環(huán)境，包含正常大腦，免疫組分，基質(zhì)組分，以及細(xì)胞外基質(zhì)中必要的機(jī)械和生化刺激。

近期發(fā)表在Cell Research雜志上題為“Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions”的文章，來自Qi Xie，Shao Chenchen和Jeremy N. Rich教授團(tuán)隊(duì)的合作。

圖1 3D生物打印可以生成膠質(zhì)母細(xì)胞瘤三培養(yǎng)和四培養(yǎng)組織環(huán)境模型

圖2 與標(biāo)準(zhǔn)球形培養(yǎng)相比，3D四培養(yǎng)模型可以更好地概括膠質(zhì)母細(xì)胞瘤組織中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄特征

圖3 在3D四培養(yǎng)模型中生長的GSC上調(diào)細(xì)胞相互作用，缺氧和癌癥干細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征

圖4 巨噬細(xì)胞的添加激活細(xì)胞外基質(zhì)和侵襲性特征

圖5 在3D四培養(yǎng)模型中生長的巨噬細(xì)胞上調(diào)免疫激活信號(hào)，增加M2極化性，并促進(jìn)GSC侵襲

圖6 生物3D打印可實(shí)現(xiàn)藥物研發(fā)平臺(tái)，并且微環(huán)境相互作用可促進(jìn)耐藥性

圖7 全基因組CRISPR-Cas9篩選揭示了特定的功能依賴性

圖8 PAG1和ZNF830是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中潛在的治療靶標(biāo)

圖9 生物3D打印有助于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中具有不良預(yù)后意義基因的上調(diào)

論文信息：
TANG, Min, et al. Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions[J]. CellResearch, 2020, 1-21.
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/ ... ne&isappinstalled=0