《Nature》實(shí)現(xiàn)復(fù)雜腫瘤模型3D打印，使癌癥治療更快、更便宜、更少痛苦

來(lái)源：生物通

來(lái)自滑鐵盧大學(xué)的研究小組將尖端生物打印技術(shù)與合成結(jié)構(gòu)或微流控芯片相結(jié)合。該方法將幫助實(shí)驗(yàn)室研究人員更準(zhǔn)確地了解異質(zhì)性腫瘤:腫瘤中有不止一種癌細(xì)胞，通常以不可預(yù)測(cè)的模式分散。

一個(gè)由跨學(xué)科研究人員組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)成功地創(chuàng)造了一種更好的復(fù)雜癌癥3D建模方法。來(lái)自滑鐵盧大學(xué)的研究小組將尖端生物打印技術(shù)與合成結(jié)構(gòu)或微流控芯片相結(jié)合。該方法將幫助實(shí)驗(yàn)室研究人員更準(zhǔn)確地了解異質(zhì)性腫瘤:腫瘤中有不止一種癌細(xì)胞，通常以不可預(yù)測(cè)的模式分散。

傳統(tǒng)上，醫(yī)生會(huì)對(duì)病人的腫瘤進(jìn)行活檢，提取細(xì)胞，然后在實(shí)驗(yàn)室的平板培養(yǎng)皿中培養(yǎng)它們。“50年來(lái)，這是生物學(xué)家理解腫瘤的方式，”應(yīng)用數(shù)學(xué)博士后研究員、該研究的主要作者Nafiseh Moghimi說(shuō)�！暗�十年前，人體試驗(yàn)中反復(fù)出現(xiàn)的治療失敗讓科學(xué)家們意識(shí)到，2D模型并不能捕捉到體內(nèi)真實(shí)的腫瘤結(jié)構(gòu)�！痹搱F(tuán)隊(duì)的研究通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)3D模型來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該模型不僅反映了腫瘤的復(fù)雜性，而且還模擬了腫瘤周圍的環(huán)境。

腫瘤治療耐藥性是由腫瘤內(nèi)多種細(xì)胞類型和異質(zhì)性所導(dǎo)致。腫瘤細(xì)胞間及細(xì)胞與微環(huán)境的相互作用在腫瘤進(jìn)展與侵襲過(guò)程中發(fā)揮重要作用，對(duì)于診斷和化療耐藥性具有重要影響。本研究開(kāi)發(fā)了由共培養(yǎng)細(xì)胞構(gòu)成的3D生物打印體外乳腺癌腫瘤微環(huán)境模型，這些細(xì)胞分布在水凝膠基質(zhì)中，具有受控的架構(gòu)以模擬腫瘤異質(zhì)性。我們假設(shè)腫瘤可以通過(guò)癌細(xì)胞負(fù)載的共培養(yǎng)水凝膠結(jié)構(gòu)來(lái)代表，而其微環(huán)境可以通過(guò)能夠在其產(chǎn)生化學(xué)梯度的微流體芯片來(lái)模擬。乳腺癌細(xì)胞(MCF7和MDA-MB-231)和非腫瘤性乳腺上皮細(xì)胞(MCF10A)被嵌入到藻酸鹽-明膠水凝膠中，并使用多墨盒擠壓生物打印技術(shù)進(jìn)行打印。這種方法允許精確控制共培養(yǎng)系統(tǒng)中細(xì)胞的位置和排列，從而實(shí)現(xiàn)各種腫瘤結(jié)構(gòu)的的設(shè)計(jì)。我們制備了兩種不同類型細(xì)胞處于特定初始位置的樣品，其中每種細(xì)胞的密度都受到嚴(yán)格控制。這些細(xì)胞要么隨機(jī)混合，要么按順序排列成不同的層以創(chuàng)造出細(xì)胞異質(zhì)性。為了研究細(xì)胞向化學(xué)吸引物的遷移，我們?cè)诰哂兄饾u化學(xué)梯度的室中創(chuàng)建了化學(xué)微環(huán)境。為了驗(yàn)證這一概念，我們使用此裝置研究了MDA-MB-231細(xì)胞在不同比例的MCF10A細(xì)胞存在下向上皮生長(zhǎng)因子梯度的不同遷移模式。我們的方法綜合運(yùn)用了3D生物打印和微流體設(shè)備來(lái)創(chuàng)建代表不同患者中發(fā)現(xiàn)的腫瘤的各種結(jié)構(gòu)，這為研究癌細(xì)胞的行為提供了具有高空間和時(shí)間分辨率的優(yōu)秀工具。

這項(xiàng)研究是在數(shù)學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，由應(yīng)用數(shù)學(xué)教授Mohammad Kohandel監(jiān)督，匯集了幾個(gè)學(xué)科的進(jìn)步�！拔覀冋�在創(chuàng)造一些在加拿大非常非常新的東西。也許只有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室在做類似的研究，”Moghimi說(shuō)。Moghimi和她的團(tuán)隊(duì)對(duì)創(chuàng)建復(fù)雜的乳腺癌模型特別感興趣。繼皮膚癌之后，乳腺癌是女性中最常見(jiàn)的癌癥。

首先，該團(tuán)隊(duì)制造了聚合物“微流控芯片”:一種蝕刻有通道的微小結(jié)構(gòu)，可以模擬病人腫瘤周圍的血液流動(dòng)和其他液體。接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)了多種類型的癌細(xì)胞，并將這些細(xì)胞培養(yǎng)物懸浮在他們自己定制的生物墨水中:一種由明膠、海藻酸鹽和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組成的雞尾酒，旨在保持細(xì)胞培養(yǎng)物的活力。最后，他們使用擠壓生物打印機(jī)——一種類似于3D打印機(jī)的設(shè)備，但用于打印有機(jī)材料——將不同類型的癌細(xì)胞分層到制備好的微流控芯片上。其結(jié)果是一個(gè)復(fù)雜癌癥的活的三維模型，科學(xué)家可以用它來(lái)測(cè)試不同的治療模式，比如各種化療藥物。

乳腺癌的治療尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗�在轉(zhuǎn)移時(shí)表現(xiàn)為包含多種類型細(xì)胞的復(fù)雜腫瘤。依靠一次或兩次活檢的細(xì)胞來(lái)準(zhǔn)確地代表整個(gè)腫瘤可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)效的治療計(jì)劃和不良的結(jié)果。3D打印的腫瘤模型證明了新技術(shù)如何為晚期乳腺癌等嚴(yán)重疾病提供更快、更便宜、更少痛苦的治療。

參考文獻(xiàn)
Controlled tumour heterogeneity in a co-culture system by 3D bio-printed tumor-on-chip model