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

來源： EngineeringForLife

腦腫瘤是一個含有多種細胞類型的動態(tài)復雜生態(tài)系統(tǒng)，是包含多種細胞類型以及多組分相互作用的復雜組織。腫瘤細胞與周圍基質(zhì)之間的相互作用促進了腫瘤的發(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胞的單獨培養(yǎng)，且在含有物種不匹配血清的非生理粘附條件下進行培養(yǎng)。當前的精準醫(yī)學研究僅基于基因組改變以及分子通路驅(qū)動腫瘤細胞轉(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)母細胞瘤的臨床實踐來說相對有限。

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癌細胞依賴性的寶貴見解，但是卻無法探究在適當生理條件下，腫瘤細胞與基質(zhì)細胞或微環(huán)境的相互作用，因而限制了其廣泛臨床應用。此外，在膠質(zhì)母細胞瘤等含有免疫細胞的腫瘤研究中，異體移植受到限制，這是由于免疫功能低下的動物阻礙了癌癥生物學中免疫細胞的研究。

膠質(zhì)母細胞瘤的一種主要微環(huán)境特征是巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞對腫瘤塊的顯著浸潤。在發(fā)展性或復發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤中，巨噬細胞和小膠質(zhì)細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)母細胞瘤模型等。

組織工程學方法的進一步發(fā)展啟發(fā)了新的3D培養(yǎng)系統(tǒng)，具有更好的可擴展性以及調(diào)節(jié)特定生物學參數(shù)的能力，包括細胞組成和細胞外基質(zhì)剛度。生理相關的腦腫瘤微環(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打印的最新進展以及為生物打印過程特別設計的生物材料來實現(xiàn)。通過使用快速生物3D打印平臺，研究人員可以研究生理相關條件下的功能依賴性和多細胞相互作用。整合巨噬細胞的生物打印結(jié)構可以概括患者來源的轉(zhuǎn)錄譜，預測患者存活，維持干性，侵襲性以及藥物抗性。相對于球形培養(yǎng)，使用生物打印的復雜系統(tǒng)進行全基因組CRISPR篩選，可確定GSC中獨特的分子依賴性。多細胞生物打印模型可作為可擴展的生理平臺來詢問藥物敏感度，細胞串擾，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。

為了在一個可復制可擴展的系統(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打印方法來構建具有臨床意義的仿生組織模型。在復發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤中，巨噬細胞/小膠質(zhì)細胞顯著地促進了腫瘤塊。為了解析巨噬細胞在3D狀態(tài)下的功能，研究人員比較了在有或沒有巨噬細胞的條件下，神經(jīng)膠質(zhì)母細胞瘤干細胞（GSC）的單獨生長或者在富含透明質(zhì)酸的水凝膠中與星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)前體細胞共同生長。

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衍生物來構建膠質(zhì)母細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細胞，巨噬細胞，星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)干細胞（NSC）。在膠質(zhì)母細胞瘤中，研究人員首先描述了概括腫瘤結(jié)構的類器官系統(tǒng)，微環(huán)境梯度和腫瘤細胞異質(zhì)性。其他膠質(zhì)母細胞瘤模型利用人類胚胎干細胞衍生的腦類器官來研究膠質(zhì)母細胞瘤干細胞（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。

當前多數(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胞，降低了其應用于臨床的能力。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)母細胞瘤。利用生物3D打印來構建膠質(zhì)母細胞細胞和其他基質(zhì)細胞的共培養(yǎng)模型，或制造HA水凝膠來模擬腦細胞外基質(zhì)。首次報道了基于人體細胞的3D膠質(zhì)母細胞瘤模型來概括復雜腫瘤微環(huán)境，包含正常大腦，免疫組分，基質(zhì)組分，以及細胞外基質(zhì)中必要的機械和生化刺激。

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教授團隊的合作。

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

圖2 與標準球形培養(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)細胞相互作用，缺氧和癌癥干細胞的轉(zhuǎn)錄特征

圖4 巨噬細胞的添加激活細胞外基質(zhì)和侵襲性特征

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

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

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)母細胞瘤中潛在的治療靶標

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