清華大學(xué)生物制造團(tuán)隊(duì)孫偉/龐媛:三維體外系統(tǒng)模擬實(shí)體瘤的免疫反應(yīng)綜述

來(lái)源:上普生物

免疫療法已被公認(rèn)為癌癥治療的第五大支柱，它可以特異性靶向癌細(xì)胞，并通過(guò)免疫記憶實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期應(yīng)答，已經(jīng)提高了多種血液腫瘤（非實(shí)體瘤）患者的生存率。然而，對(duì)于實(shí)體瘤患者來(lái)說(shuō)，單一免疫療法的療效并不顯著。由于“腫瘤-免疫循環(huán)”（Cancer-Immunity Cycle, 簡(jiǎn)稱(chēng)CIC）的高度復(fù)雜性和異質(zhì)性，導(dǎo)致其對(duì)免疫療法的總體反應(yīng)率有限。當(dāng)免疫療法被用于克服免疫功能障礙并促進(jìn)CIC時(shí)，該過(guò)程的任何中斷都可能導(dǎo)致治療失敗。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)精確的腫瘤建模方法。

在過(guò)去的十年中，體外三維模型作為先進(jìn)的生物模型被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這使得人們可以深入了解細(xì)胞與細(xì)胞以及細(xì)胞與環(huán)境之間的相互作用。隨著對(duì)癌癥免疫治療的關(guān)注，越來(lái)越多的工作開(kāi)始使用三維模型來(lái)重建癌癥中的局部或全身免疫環(huán)境。最近的進(jìn)展表明了體外三維腫瘤免疫學(xué)模型具有潛在的實(shí)用性，包括在基礎(chǔ)研究中更好地定義CIC，評(píng)估和探索免疫療法，以及開(kāi)發(fā)人工龕位輔助的“藥物遞送系統(tǒng)”（Drug Delivery System, 簡(jiǎn)稱(chēng)DDS）。從而為在三維體外系統(tǒng)中解決實(shí)體瘤免疫治療耐藥或無(wú)效的問(wèn)題提供了前所未有的機(jī)會(huì)，為進(jìn)一步的理解細(xì)胞和分子機(jī)制、提高免疫治療效果提供了多維的資源。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nat Rev Immunol）

2023年7月4日，清華大學(xué)機(jī)械工程系生物制造團(tuán)隊(duì)龐媛/孫偉在Nature Reviews Immunology上在線發(fā)表了題為《利用三維體外系統(tǒng)建立實(shí)體瘤免疫反應(yīng)模型：向改進(jìn)和創(chuàng)造個(gè)性化免疫療法邁出一步》（Harnessing 3D in vitro systems to model immune responses to solid tumours: a step towards improving and creating personalized immunotherapies）的綜述文章。作者針對(duì)實(shí)體瘤現(xiàn)有免疫療法的局限性，全面回顧了各種體外三維建模技術(shù)，并強(qiáng)調(diào)這些技術(shù)如何應(yīng)用于模擬和再現(xiàn)CIC，以評(píng)估免疫治療策略進(jìn)而探索免疫治療的優(yōu)化方案及個(gè)性化的腫瘤免疫治療。最后，針對(duì)該研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和重要發(fā)展機(jī)遇進(jìn)行了評(píng)述和展望。

該文章的第一作者為清華大學(xué)機(jī)械工程系博士研究生周珍珍，清華大學(xué)機(jī)械工程系生物制造團(tuán)隊(duì)龐媛副研究員和孫偉教授為本文的共同通訊作者。

實(shí)體瘤免疫治療的局限性
免疫療法可以局部改變腫瘤微環(huán)境（Tumor Microenvironment, 簡(jiǎn)稱(chēng)TME）或系統(tǒng)改善免疫監(jiān)視，這些療法明顯推動(dòng)了血液腫瘤的治療。然而，大多數(shù)實(shí)體瘤患者無(wú)法從目前的免疫療法中獲益。CIC的巨大復(fù)雜性、異質(zhì)性和適應(yīng)性導(dǎo)致了對(duì)免疫療法的不同反應(yīng)。

免疫治療抵抗或無(wú)效的機(jī)制可分為以下幾類(lèi)：首先，局部TME和全身免疫反應(yīng)的免疫抑制環(huán)境可能導(dǎo)致駐留或浸潤(rùn)的細(xì)胞毒性免疫細(xì)胞失活或衰竭，如“細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞”。其次，局部TME的變形結(jié)構(gòu)和血管高滲滲漏對(duì)治療性細(xì)胞浸潤(rùn)或藥劑輸送構(gòu)成了物理屏障。三，由于TME和系統(tǒng)免疫反應(yīng)的異質(zhì)性，治療性基因改造細(xì)胞上的特定分子結(jié)構(gòu)總是導(dǎo)致反應(yīng)的可變性和免疫抵抗。例如，實(shí)體瘤含有攜帶逃逸變體的細(xì)胞，可以逃避“嵌合抗原受體T細(xì)胞”（Chimeric Antigen Receptor T cell, 簡(jiǎn)稱(chēng)CAR T cell）的定位。第四，有限的或不適當(dāng)?shù)慕o藥方案導(dǎo)致療效下降和副作用增加。然而，解決所有這些挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)的腫瘤模型系統(tǒng)，即二維共培養(yǎng)和動(dòng)物模型所不能及的。

體外三維免疫腫瘤學(xué)模型的構(gòu)建
由于材料科學(xué)、微加工、組織工程和三維打印技術(shù)的融合，現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)生物三維模型。這些體外三維模型的出現(xiàn)為腫瘤免疫學(xué)和免疫療法提供了全新的視角。因此，本文將回顧各種體外三維建模技術(shù)，包括支架、有機(jī)體、微流控和三維生物打印，并重點(diǎn)介紹如何利用這些技術(shù)來(lái)規(guī)劃和組織CIC的復(fù)雜組件。

1. 基于支架的三維模型
在基于支架的三維模型中，細(xì)胞被植入到模擬實(shí)體組織的細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular Matrix, 簡(jiǎn)稱(chēng)ECM）的生物材料中（圖1）。三維支架可通過(guò)自由堆疊不同形態(tài)的微顆�；蚣�成結(jié)構(gòu)來(lái)建立。細(xì)胞接種是在微孔或纖維支架上進(jìn)行的，支架的制備采用了不同的配制工藝（如兩相乳化、發(fā)泡、冷凍干燥和靜電紡絲）。支架平臺(tái)可對(duì)遞送的免疫調(diào)節(jié)劑和免疫細(xì)胞之間的相互作用進(jìn)行時(shí)空調(diào)節(jié)，并重現(xiàn)免疫細(xì)胞的串?dāng)_。通過(guò)調(diào)整支架材料，研究ECM的物理和生物化學(xué)特性如何影響免疫治療反應(yīng)和免疫細(xì)胞功能。

圖 | 用于腫瘤免疫學(xué)研究的基于支架的三維模型示意圖

（來(lái)源：Nat Rev Immunol）

2. 類(lèi)器官模型
腫瘤類(lèi)器官是自組織微型三維細(xì)胞聚集體，來(lái)源于原發(fā)腫瘤組織（或基因工程干細(xì)胞），能夠保留親代腫瘤組織的關(guān)鍵分子和結(jié)構(gòu)特征（圖2）。這些類(lèi)器官模型補(bǔ)充了現(xiàn)有的確定癌癥易感性和改善各種實(shí)體瘤類(lèi)型治療反應(yīng)的方法。然而，以前的研究通常使用不含免疫細(xì)胞群的類(lèi)器官模型，這些模型只能用于非免疫相關(guān)的腫瘤研究。最近，通過(guò)加入各種免疫細(xì)胞成分，類(lèi)器官模型得到了進(jìn)一步的發(fā)展和完善。它們被認(rèn)為是人類(lèi)癌癥免疫生物學(xué)再現(xiàn)和免疫療法測(cè)試的理想模型。

圖 | 用于腫瘤免疫學(xué)研究的腫瘤類(lèi)器官模型示意圖

（來(lái)源：Nat Rev Immunol）

3. 微流體3D模型
盡管類(lèi)器官模型可以通過(guò)簡(jiǎn)單的共培養(yǎng)或通過(guò)血管網(wǎng)絡(luò)灌注將多種成分結(jié)合在一起，但包括細(xì)胞、基質(zhì)和生化因子在內(nèi)的各種成分的分布卻無(wú)法在空間上確定。微流體三維模型結(jié)合了仿生生物學(xué)和微制造技術(shù)。通過(guò)允許空間調(diào)節(jié)的共培養(yǎng)、灌注流和信號(hào)梯度的空間控制，微流體技術(shù)已發(fā)展成為一種多功能工具，可進(jìn)一步加強(qiáng)三維細(xì)胞培養(yǎng)的生理相關(guān)性。目前，常見(jiàn)的微流體三維模型構(gòu)建方法包括三維水凝膠、液滴和柱狀培養(yǎng)（圖3）。

圖 | 用于腫瘤免疫學(xué)研究的微流控三維模型示意圖

（來(lái)源：Nat Rev Immunol）

4. 基于生物打印的三維模型
與在微流體芯片中預(yù)先確定的微框架內(nèi)部署各種元件不同，生物打印可在完全開(kāi)放的空間內(nèi)自由有序地組裝這些元件。生物打印通過(guò)將細(xì)胞或聚集體融入天然或合成ECM來(lái)構(gòu)建人工組織（圖4）。三維生物打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可創(chuàng)建各種尺度的結(jié)構(gòu)、有組織的組織拓?fù)浜吞囟ǖ慕M織構(gòu)象。按照預(yù)定設(shè)計(jì)，癌細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞以及物理和生化梯度在三維空間中一致排列，可系統(tǒng)研究TME中細(xì)胞與細(xì)胞之間以及細(xì)胞與ECM之間的相互作用。迄今為止，已開(kāi)發(fā)出多種生物打印技術(shù)，包括擠壓生物打�。‥xtrusion-based Bioprinting, 簡(jiǎn)稱(chēng)EBB）、液滴生物打�。―roplet-based Bioprinting, 簡(jiǎn)稱(chēng)DBB）、激光輔助生物打印（Laser-assisted Bioprinting, 簡(jiǎn)稱(chēng)LAB）和吸氣輔助生物打印（Aspiration-assisted Bioprinting, 簡(jiǎn)稱(chēng)AAB），用于創(chuàng)建體外三維免疫腫瘤學(xué)模型。

圖 | 用于腫瘤免疫學(xué)研究的基于生物打印的三維模型示意圖

（來(lái)源：Nat Rev Immunol）

總結(jié)與展望
體外三維免疫腫瘤學(xué)模型的出現(xiàn)為深入研究細(xì)胞和分子機(jī)制、提高免疫治療療效提供了多維資源。然而，免疫腫瘤學(xué)模型現(xiàn)有的重要轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)包括實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、標(biāo)準(zhǔn)化和高通量，這對(duì)建立這些模型的預(yù)測(cè)性臨床嚴(yán)謹(jǐn)性至關(guān)重要。從人體或動(dòng)物中提取的可高度模擬原始體內(nèi)環(huán)境的脫細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)存在嚴(yán)重的批間差，是模型標(biāo)準(zhǔn)化的主要障礙。近年來(lái)，人們開(kāi)發(fā)了具有特定配方的生物材料來(lái)提高可重復(fù)性，并向定向工程轉(zhuǎn)變以實(shí)現(xiàn)CIC的重編程和免疫治療。因此，基質(zhì)環(huán)境正在成為癌癥免疫學(xué)和免疫療法的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。最后，成功的構(gòu)建體外三維免疫腫瘤學(xué)模型不僅有利于重塑傳統(tǒng)的免疫腫瘤學(xué)研究方法，還有助于加速臨床有效免疫療法的轉(zhuǎn)化，從而大大改善患者的腫瘤預(yù)后。

參考文獻(xiàn)
Zhenzhen Zhou, Yuan Pang, Jingyuan Ji, Jianyu He, Tiankun Liu, Liliang Ouyang, Wen Zhang, Xue-Li Zhang, Zhi-Gang Zhang, Kaitai Zhang & Wei Sun. Harnessing 3D in vitro systems to model immune responses to solid tumours: a step towards improving and creating personalized immunotherapies. Nature Reviews Immunology (2023) Cite this article.
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41577-023-00896-4.