哈佛醫(yī)學(xué)院| 基于3D生物打印的膽管癌芯片在藥物篩選中的應(yīng)用

來(lái)源 ：生物設(shè)計(jì)與制造BDM

本研究論文聚焦基于3D生物打印的膽管癌芯片在藥物篩選中的應(yīng)用。膽管癌（CCA）因?yàn)楦弋愘|(zhì)性、低生存率，迫切需要開(kāi)發(fā)有效的治療藥物。然而，現(xiàn)有的CCA藥篩模型通常無(wú)效，也是至今臨床上未有針對(duì)膽管癌有效藥物的重要原因。為此，作者基于犧牲打印和3D生物打印，構(gòu)建了仿生CCA芯片模型：將膽管細(xì)胞、肝細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞用于模型的3D生物打印，從而實(shí)現(xiàn)高度的空間和管狀微結(jié)構(gòu)模擬，該模型在很大程度上類(lèi)似于肝實(shí)質(zhì)-血管-膽道系統(tǒng)的多細(xì)胞微環(huán)境和解剖微結(jié)構(gòu)（圖1），以進(jìn)行高效的抗腫瘤藥物篩選。

圖1 肝實(shí)質(zhì)-血管-膽道系統(tǒng)的多細(xì)胞微環(huán)境與微結(jié)構(gòu)

CCA是肝臟的原發(fā)性腫瘤，主要發(fā)生在肝外膽管腔內(nèi)；60%-70%位于肝門(mén)周?chē)鷧^(qū)域，約25%位于遠(yuǎn)端導(dǎo)管，其余位于肝臟（圖2a）。膽管細(xì)胞、肝細(xì)胞和血管在解剖學(xué)上有著非常密切的關(guān)系，并且通常被確定參與膽管疾病的病理生理學(xué)（圖2b）。由于該疾病的復(fù)雜性，以及需要更好的體外模型來(lái)闡明CCA的發(fā)生、進(jìn)展和藥物篩選，文中作者提出的CCA模型從單層2D單培養(yǎng)改進(jìn)為精心設(shè)計(jì)的、基于3D生物打印的3D共培養(yǎng)芯片模型，該模型由模擬細(xì)胞外基質(zhì)的水凝膠和膽管細(xì)胞、肝細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞組成的微環(huán)境構(gòu)成（圖2c-i-iii）。

圖2 膽管癌芯片設(shè)計(jì)概況圖

作者首先利用犧牲打印，構(gòu)建了3D 肝實(shí)質(zhì)-血管-膽道多細(xì)胞芯片（圖3a，b），并證明了3種細(xì)胞可以在共培養(yǎng)體系中保持細(xì)胞活性（圖3c，d）。更有意義的是，當(dāng)培養(yǎng)9天時(shí)，在CCA芯片模型中觀察到RBE細(xì)胞的以局部增厚的方式過(guò)度生長(zhǎng)，產(chǎn)生與體內(nèi)類(lèi)似的膽管狹窄（圖3f），這意味著這些模型的微觀結(jié)構(gòu)和微環(huán)境有利于CCA細(xì)胞仿生生長(zhǎng)和腫瘤增生，而傳統(tǒng)的2D培養(yǎng)無(wú)法模擬這一特殊增殖現(xiàn)象。

圖3 肝實(shí)質(zhì)-血管-膽道多細(xì)胞膽管癌芯片設(shè)計(jì)、表征與評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證3D 肝實(shí)質(zhì)-血管-膽道多細(xì)胞芯片的藥篩用途，作者分別將環(huán)磷酰胺（Cyclophosphamide，CTX）作用于2D和3D CCA芯片，CTX是進(jìn)入人體內(nèi)被肝臟或腫瘤內(nèi)存在的過(guò)量的磷酰胺酶或磷酸酶水解，變?yōu)榛罨�作用型的磷酰胺氮芥而起作用的氮芥�?lèi)衍生物。CTX在體外無(wú)活性，主要通過(guò)肝臟P450酶水解成醛磷酰胺再運(yùn)轉(zhuǎn)到組織中形成磷酰胺氮芥而發(fā)揮作用。結(jié)果證明，CTX對(duì)2D培養(yǎng)的膽管癌細(xì)胞無(wú)顯著毒性，而作用于肝實(shí)質(zhì)-血管-膽道多細(xì)胞CCA芯片的CTX，顯示了劑量依賴的毒性作用（圖4c）。以上結(jié)果說(shuō)明了芯片中肝細(xì)胞提供了P450對(duì)抗腫瘤前藥CTX的轉(zhuǎn)化作用，驗(yàn)證了CCA芯片對(duì)抗腫瘤新藥研發(fā)的優(yōu)勢(shì)性。

圖4 基于2D單細(xì)胞培養(yǎng)和3D膽管癌芯片模型的抗腫瘤藥物篩選應(yīng)用

基于DLP的3D生物打印能夠快速選擇性地固化生物墨水，可根據(jù)具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)3D結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含比犧牲生物打印更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。作者利用該技術(shù)打印了系列膽管癌芯片，具備以下特殊結(jié)構(gòu)：1. 肝細(xì)胞-血管內(nèi)皮細(xì)胞-膽管癌細(xì)胞工作的肝小葉結(jié)構(gòu)（圖5a，b）；2. 模擬肝臟中雙血供的血管微通道的空間解剖結(jié)構(gòu)+模擬膽管樹(shù)的雙層分支導(dǎo)膽管結(jié)構(gòu)（圖5c）；3. 互相交錯(cuò)的血管-膽管結(jié)構(gòu)（圖5d）。模塊尺寸為6 mm×6 mm，厚度為5 mm。微通道的直徑小至200–500 μm（圖5e）。隨后的灌注進(jìn)一步證實(shí)了這些微通道的相互連接（圖5f）。這些模型表明，其與天然CCA的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（傳入血管和膽管穿過(guò)肝臟）的相似性得到了改善，并將成為未來(lái)CCA研究和篩選治療方法的合適工具。

圖5 基于DLP 3D生物打印技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的仿生CCA芯片

綜上所述，該文通過(guò)犧牲或基于DLP的生物打印創(chuàng)建了一系列3D CCA芯片三培養(yǎng)模型，這些模型被證明在很大程度上模擬了天然CCA微環(huán)境與微結(jié)構(gòu)，該模型代表了一種潛在的膽管癌新藥研發(fā)和個(gè)性化抗膽管癌藥物篩選方法。該文的第一作者為上海市麻醉與腦功能調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、同濟(jì)醫(yī)學(xué)院腦功能與人工智能轉(zhuǎn)化研究所、同濟(jì)大學(xué)附屬第四人民醫(yī)院研究員劉瓊，哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang為通訊作者。