清華大學(xué)的熊卓、張婷和方永聰教授：基于衛(wèi)星在軌打印三維腫瘤模型

來源： EngineeringForLife

太空三維（3D）生物打印技術(shù)可實現(xiàn)精確仿生腫瘤模型構(gòu)建，用于評估空間環(huán)境對腫瘤的復(fù)合影響，進而深入了解疾病進展和相關(guān)治療策略。目前太空三維生物打印面臨一些困難，如發(fā)射前的不確定性、液體可能泄漏、太空中如何長期培養(yǎng)、設(shè)備自動控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)�。近日，來自清華大學(xué)的熊卓、張婷和方永聰教授團隊進行了基于衛(wèi)星在軌打印三維腫瘤模型的相關(guān)研究。研究成果以“Satellite-Based On-Orbit Printing of 3D Tumor Models”為題于12月25日發(fā)表在《Advanced Materials》上。

本文開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)強度高、體積小、重量輕（<6千克）的新型太空三維生物打印設(shè)備�；�于微凝膠的雙相熱敏生物墨水和懸浮介質(zhì)，可支持復(fù)雜腫瘤模型的在軌打印和原位培養(yǎng)。此外，本文還開發(fā)了一種智能控制算法，能夠自動控制三維打印、自動對焦、熒光成像和數(shù)據(jù)地面?zhèn)鬏�。本研究為首次通過衛(wèi)星在太空中實現(xiàn)腫瘤模型在軌打印，其形態(tài)穩(wěn)定，存活率適中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三維腫瘤模型在太空中比在地球上對抗腫瘤藥物更敏感。本研究為太空三維生物打印開辟一條新途徑，為未來太空生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究提供新的可能性。

本文從以下幾個方面進行詳細描述：
1. 太空三維生物打印設(shè)備開發(fā)
2. 適用于太空環(huán)境的功能性MBT生物墨水
3. 適合太空環(huán)境的多功能MBT懸浮介質(zhì)
4. 基于機器學(xué)習(xí)的自動對焦算法
5. 復(fù)雜腫瘤模型在軌三維打印
6. 抗腫瘤藥物檢測

圖1 實驗流程及機制示意圖

本文開發(fā)了一種小型和自動化的空間三維生物打印設(shè)備，體積�。�220毫米×250毫米×150毫米），重量輕（≈6千克），適用于無人衛(wèi)星平臺（圖1）。所開發(fā)的設(shè)備可自動控制三維打印、自動對焦和熒光成像，實現(xiàn)質(zhì)量保證和及時反饋。此外，本文開發(fā)了一種嵌入式打印策略，支持在軌三維打印和復(fù)雜模型的長期培養(yǎng)。基于微凝膠的雙熱敏（MBT）生物墨水和懸浮介質(zhì)，具有優(yōu)異的存儲性能和抗泄漏性，可適應(yīng)潛在的發(fā)射延遲和振動。研究人員在低地軌道衛(wèi)星上成功實現(xiàn)復(fù)雜腫瘤模型的在軌打印，其形態(tài)穩(wěn)定，細胞存活率適中。本文還證明三維腫瘤模型在太空比在地球上對抗腫瘤藥物更敏感，將加速未來太空腫瘤生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究。

圖2 用于在軌太空3D生物打印設(shè)備

受限于目前火箭發(fā)射高昂成本及衛(wèi)星有效載荷體積和重量限制，太空生物打印設(shè)備必須非常緊湊、輕便且結(jié)構(gòu)強度高。因此，研究人員開發(fā)了一種尺寸僅為220毫米×250毫米×150毫米、重量僅為6千克的太空生物打印設(shè)備，用于在軌打印復(fù)雜腫瘤模型。太空生物打印裝置主要由三維打印模塊、生物模組、顯微鏡模塊和控制模塊組成（圖2A）。三維打印模塊主要由兩個裝滿生物墨水的注射器和一個與加熱片相連的硅絕緣體組成。生物模塊由兩個大室（體積：1.2±0.2mL）和八個小室（體積：0.4±0.1mL）組成，大室中裝有用于嵌入打印的懸浮培養(yǎng)基，小室中裝有用于研究空間腫瘤模型藥物反應(yīng)的癌癥組裝體和培養(yǎng)基。生物模塊安裝在可加熱的上下平臺上，而打印模塊則安裝在XY運動平臺上，旁邊是一個由電機控制的注射器活塞，用于將含有細胞的生物墨水擠壓成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。生物模塊與三維打印模塊相連，并通過乳膠軟膜密封（圖2D），軟膜的厚度經(jīng)過進一步優(yōu)化。在打印模塊和生物模塊的外壁安裝了溫度傳感器，以監(jiān)測不同模塊溫度變化。在整個在軌打印和培養(yǎng)過程中，打印模塊和生物模塊的外部溫度分別保持在21±2和32±2°C。因此，打印過程中MBT生物墨水和懸浮介質(zhì)的實際溫度分別保持在32±2℃和35±2℃。在地球上的反復(fù)測試表明，內(nèi)部和外部組件之間的溫差是恒定的。衛(wèi)星進入軌道后，打印模塊和生物模塊在控制模塊的驅(qū)動下加熱到設(shè)定溫度，然后該設(shè)備通過三維打印模塊對腫瘤模型進行在軌三維打�。▓D2E）。打印完成后，顯微鏡模塊自動捕捉生物樣本的明視野和熒光圖像，并將其傳輸?shù)叫l(wèi)星，然后再傳輸?shù)降孛妫▓D2F）。在火箭發(fā)射過程中設(shè)備可能會經(jīng)歷劇烈振動，持續(xù)時間約為一分鐘，因此需要高強度和剛度。本文對設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，確保有效載荷裝置既堅固又輕巧�？傊�，本研究設(shè)計出了一種緊湊、集成、可靠的裝置，能夠進行在軌三維打印、觀測和培養(yǎng)，為未來太空實驗奠定基礎(chǔ)。

圖3 MBT懸浮介質(zhì)的設(shè)計和表征

考慮到在衛(wèi)星中無人操作和傳統(tǒng)擠壓式三維生物打印的固有局限性，原位培養(yǎng)過程通常很難進行灌注。主要因為在液體灌注過程中，氣液界面容易產(chǎn)生大量氣泡。因此，研究人員開發(fā)了一種嵌入式三維生物打印策略，利用一種懸浮培養(yǎng)基既能三維打印MBT生物墨水，又能原位培養(yǎng)打印出的腫瘤模型（圖3A）。MBT懸浮培養(yǎng)基由分散相GelMA凝膠和連續(xù)相明膠及透明質(zhì)酸（HA）復(fù)合材料組成。結(jié)果表明，MBT懸浮培養(yǎng)基可用于高保真打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖3B）。熒光成像顯示，MBT懸浮介質(zhì)主要由類似于MBT生物墨水的微凝膠組成。流變測試表明，MBT懸浮介質(zhì)具有剪切稀化和自愈合特性（圖3C），有利于嵌入式打印。對嵌入打印的螺旋結(jié)構(gòu)進行定量測量表明，絲的寬度和間距受打印溫度影響不大（圖3D、E），表明MBT懸浮介質(zhì)具有較寬的打印溫度范圍。雖然微顆粒大大降低MBT懸浮介質(zhì)的不透明度，但嵌入打印結(jié)構(gòu)的輪廓仍清晰可見。研究人員還打印了人體解剖結(jié)構(gòu)（如人的支氣管和心臟，圖3F）和帶有懸臂的結(jié)構(gòu)（如垂直的TH管，圖3G），用于展示打印能力。使用傳統(tǒng)的擠壓打印方法很難打印出具有懸臂和薄壁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)造物。由于明膠的存在，MBT懸浮介質(zhì)在加熱階段的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變點為35°C，在冷卻階段的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點為20°C。將MBT懸浮培養(yǎng)基注入生物模塊后，在4℃下迅速凝固。凝膠化后，MBT懸浮介質(zhì)即使倒置也不會在容器內(nèi)流動。采取這種預(yù)防措施是為了防止MBT懸浮介質(zhì)在半開放艙內(nèi)泄漏，在火箭發(fā)射過程中的劇烈振動可能會導(dǎo)致這種泄漏發(fā)生。在37℃的MBT懸浮培養(yǎng)基中培養(yǎng)的打印構(gòu)建體在72小時內(nèi)保持較高的細胞活力。以上結(jié)果表明，MBT懸浮培養(yǎng)基可支持復(fù)雜構(gòu)建物在30-37°C下嵌入打印和原位培養(yǎng)，同時在4°C-25°C下經(jīng)受長途運輸而不會發(fā)生泄漏。

圖4 空間環(huán)境影響癌細胞對順鉑的反應(yīng)

接著本文研究了太空環(huán)境中肺癌細胞對化療藥物的反應(yīng)。有報道稱微重力可調(diào)節(jié)化療藥物的作用，但這些研究都是在二維培養(yǎng)條件下使用微重力模擬裝置進行的，因此得出的結(jié)論并不完全可靠。本文設(shè)計了一個生物模塊，其中有一個裝有順鉑敏感和順鉑抗性H460/CAF癌細胞組裝體的8孔室。該癌細胞組裝體是評估藥物抗腫瘤能力的最佳三維腫瘤模型。敏感組和耐藥組都接受不同劑量的順鉑治療。通過液滴微流體技術(shù)，使用GFP標記的H460癌細胞和Dil標記的CAF生成直徑200μm的癌細胞組裝體。為增強聚焦效果，將癌細胞組裝體嵌入薄層GelMA水凝膠中，然后進行光交聯(lián)，使其附著在培養(yǎng)室底部。熒光染色（圖4C）和組織學(xué)染色（圖4D,E）顯示，培養(yǎng)一周的癌細胞組裝體發(fā)育成腫瘤組織樣結(jié)構(gòu)，腫瘤實質(zhì)和基質(zhì)成分圍繞著實質(zhì)癌細胞，與體內(nèi)腫瘤組織相似。為研究太空環(huán)境對腫瘤對藥物治療反應(yīng)的影響，在地面和太空同時捕獲明視野和熒光圖像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，順鉑耐藥組和順鉑敏感組在空間環(huán)境給藥36小時后都出現(xiàn)明顯反應(yīng)。在太空中比在地球上更加迅速和敏感（圖4F）。太空環(huán)境中的耐藥組比藥物敏感組對順鉑的耐藥性更強（圖4G-J）。本研究結(jié)果表明，空間微重力環(huán)境可能會大大提高細胞對化療藥物的反應(yīng)性，從而使耐藥細胞更容易進行抗腫瘤治療。這一發(fā)現(xiàn)為解決腫瘤耐藥性問題提供一種新方法。要確定空間輻射和微重力對腫瘤治療敏感性的不同影響，還需要進一步的研究。研究人員計劃不久將來在中國空間站上進行全面的實驗驗證。

總結(jié)與展望
總之，本文開發(fā)了一種新型適用于太空的生物打印設(shè)備，可以在太空中打印和培養(yǎng)三維腫瘤模型。研究結(jié)果表明，所開發(fā)的MBT生物墨水和MBT懸浮培養(yǎng)基能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)打印三維腫瘤模型，并能在軌道上實現(xiàn)形態(tài)穩(wěn)定、細胞活力適中的培養(yǎng)。本文在衛(wèi)星上對多功能實驗裝置和太空生物打印技術(shù)成功進行了在軌驗證，標志著太空三維生物打印技術(shù)的發(fā)展邁出重要一步，為加速太空生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展提供新的機遇。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202309618