仿生3D模型用于研究缺氧對腫瘤進展的影響

供稿人:裴娜 王玲
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

腫瘤的命運既取決于癌細胞的固有特征，也取決于腫瘤所處和生長的環(huán)境條件。而低氧是腫瘤微環(huán)境中的一個典型特征。因此需要在體外構建合適的腫瘤模型以研究氧氣濃度對腫瘤進展的影響。目前，關于氧氣濃度的腫瘤模型主要局限于二維培養(yǎng)，不能很好的模擬腫瘤在體內的生長狀況。因此需要在體外構建三維模型以減少體外實驗和體內真實情況之間的差異。

近期意大利Romagnolo腫瘤研究與治療科學研究所（IRST）骨腫瘤與罕見腫瘤中心的科研人員利用通過PH驅動交聯(lián)的I型膠原蛋白構建3D支架，該支架的平均孔隙度為85±6.3％允許細胞穿透整個支架。生長在該支架上的MDA-MB-231 和MCF-7兩種細胞系均以組織樣形態(tài)生在在支架內，顯示出與匹配的異種移植腫瘤的相似性。

研究人員研究了細胞在構建的3D支架中的生長動力學，研究的指標包括細胞數(shù)量、細胞周期、細胞存活率、細胞凋亡率等，并與培養(yǎng)在2D中的細胞的生長動力學相比。

圖1 3D仿生模型中的癌細胞生長動力學

結果顯示，3D支架中的癌細胞顯示出比單層培養(yǎng)的細胞更慢的增殖速率，并且細胞數(shù)量隨著培養(yǎng)時間的推移而恒定。而單層培養(yǎng)的細胞顯示出典型的指數(shù)增長。隨著培養(yǎng)時間的推移，支架中活細胞的百分比顯著下降，這與其凋亡率上升相對應。

研究人員還研究了氧氣濃度（分別將樣品培養(yǎng)在含有21% O2或1% O2的細胞培養(yǎng)箱中）對3D膠原支架中生長的不同類型的細胞遷移的影響。

圖2 MDA-MB-231細胞隨時間推移會向3D支架的邊緣遷移(黃色熒光為染色的細胞，紅色熒光是膠原蛋白支架的自發(fā)熒光)

結果表明，在21%O2中培養(yǎng)時，MDA-MB-231細胞隨著培養(yǎng)時間的推移遷移到3D支架的外圍區(qū)域。在實驗性常氧條件下，MDA-MB-231的遷移是由低氧核心和氧充分的邊緣部位之間的氧氣梯度促進的，支架邊緣的細胞百分比從第1天的20％增加到第7天的70％，相反，對于MCF-7細胞，在第1天和第7天之間，核心區(qū)域和邊緣區(qū)域中的細胞分布相似，這些發(fā)現(xiàn)表明，在21% O2的培養(yǎng)環(huán)境中，由支架本身的三維介質引起的氧氣梯度可以促進部分類型的細胞遷移到支架的邊緣，而這種遷移的特性在1% O2的培養(yǎng)環(huán)境中消失了。同時這種遷移特性與細胞的類型有關，某些細胞如MCF-7細胞則不具有。

參考文獻：
Liverani, C., et al., A biomimetic 3D model of hypoxia-driven cancer progression. Scientific Reports, 2019. 9(1).