3D打印纖維結(jié)構(gòu)在癌癥中的重要性及其對(duì)生物材料模型設(shè)計(jì)的影響

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

改善臨床反應(yīng)預(yù)測(cè)的需求正在推動(dòng)具有增強(qiáng)生理相關(guān)性的癌癥模型的發(fā)展。當(dāng)前，一個(gè)新的“精準(zhǔn)生物材料”概念正在浮現(xiàn)，它包括模擬患者的生物材料模型，這些模型旨在通過(guò)精確復(fù)制關(guān)鍵的微環(huán)境特征來(lái)準(zhǔn)確地檢測(cè)、治療和模擬癌癥。盡管最近的進(jìn)展允許在體外復(fù)制組織類(lèi)似的硬度和分子組成，但復(fù)制腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中發(fā)現(xiàn)的3D纖維結(jié)構(gòu)的方法仍然相對(duì)未經(jīng)探索。

來(lái)自英國(guó)諾丁漢大學(xué)的J. C. Ashworth團(tuán)隊(duì)與來(lái)自澳大利亞加文醫(yī)學(xué)研究所的T. R. Cox團(tuán)隊(duì)合作總結(jié)了已知的腫瘤纖維結(jié)構(gòu)的作用，強(qiáng)調(diào)了它們?cè)诩?xì)胞-基質(zhì)相互作用以及最終的臨床結(jié)果中的影響。本文探討了在體外復(fù)制特定組織的3D纖維結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，突出了相關(guān)的生物材料制造技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)和局限性。最后，討論了成像和圖像分析技術(shù)（聚焦于針對(duì)膠原蛋白I優(yōu)化的方法），這可能是將特定于腫瘤的ECM映射到高保真生物材料模型的關(guān)鍵。本研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，一個(gè)跨學(xué)科的方法，結(jié)合材料科學(xué)、癌癥研究和圖像分析，將闡明3D纖維結(jié)構(gòu)在腫瘤發(fā)展中的作用，從而引領(lǐng)下一代模擬患者的模型，用于機(jī)制研究和藥物發(fā)現(xiàn)。相關(guān)工作以題為“The importance of 3D fibre architecture in cancer and implications for biomaterial model design”的綜述文章發(fā)表在2024年06月17日的期刊《Nature reviews cancer》。  

盡管目前已經(jīng)有大量的研究集中在設(shè)計(jì)具有組織真實(shí)硬度的生物材料上，但復(fù)制癌癥基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜3D纖維結(jié)構(gòu)在一個(gè)高保真的可擴(kuò)展生物材料模型中仍然是一個(gè)未滿(mǎn)足的挑戰(zhàn)。雖然具有控制成分的模型通常專(zhuān)注于改變單個(gè)或少量ECM（細(xì)胞外基質(zhì)）成分的相對(duì)比例，但它們復(fù)制原生組織中發(fā)現(xiàn)的特定纖維圖案、方向和特征尺寸的潛力相對(duì)來(lái)說(shuō)還未被探索。這部分受到了腫瘤中ECM結(jié)構(gòu)巨大異質(zhì)性的阻礙。本綜述解決了這一知識(shí)空白，強(qiáng)調(diào)了這種組織真實(shí)的生物材料模型對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的需求，討論了其設(shè)計(jì)和制造所涉及的挑戰(zhàn)，并概述了目前用于體外復(fù)制特定組織3D纖維網(wǎng)絡(luò)的尖端技術(shù)。本文強(qiáng)調(diào)需要多學(xué)科方法來(lái)設(shè)計(jì)下一代精準(zhǔn)組織模型，將材料科學(xué)中的新創(chuàng)新與先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)和圖像分析技術(shù)相結(jié)合（圖1）。本文將“纖維”定義為生物材料或組織內(nèi)的任何細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元，包括由ECM蛋白和合成物質(zhì)組成的那些。

圖1 設(shè)計(jì)和制造具有組織匹配的3D纖維結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)生物材料的方法

【3D纖維結(jié)構(gòu)在癌癥中的作用】

細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）大致可分為兩個(gè)組成部分：間質(zhì)基質(zhì)和基底膜。在正常、非病變的組織中，ECM經(jīng)歷持續(xù)的重塑，但這一過(guò)程在癌癥中變得失調(diào)，導(dǎo)致ECM沉積和降解的變化。在癌癥中觀察到間質(zhì)基質(zhì)和基底膜的重塑，例如，基底膜的喪失會(huì)破壞頂-底極性，使上皮細(xì)胞與間質(zhì)基質(zhì)接觸。

在最早研究纖維組織與患者預(yù)后之間聯(lián)系的開(kāi)創(chuàng)性工作中主要的焦點(diǎn)是乳腺癌。長(zhǎng)期以來(lái)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，與基質(zhì)蛋白增加相關(guān)的乳房X線密度是與乳腺癌發(fā)病最強(qiáng)烈的獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素之一。最近，來(lái)自高乳房X線密度區(qū)域的組織被發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)、排列整齊的纖維狀膠原束的普遍存在增加了，而不是與無(wú)定形膠原的水平有關(guān)。在一項(xiàng)里程碑式的研究中，使用二次諧波成像顯微鏡對(duì)人乳腺癌的活檢組織切片進(jìn)行了成像，并根據(jù)腫瘤邊界處膠原纖維的存在和排列對(duì)其進(jìn)行了分類(lèi)，定義了一組與腫瘤相關(guān)的膠原特征（TACS）。在乳腺癌的小鼠模型中，將TACS級(jí)別從TACS-1增加到TACS-3，代表了從早期到晚期腫瘤發(fā)生的轉(zhuǎn)變，這與局部細(xì)胞定向侵襲的增加相對(duì)應(yīng)。在臨床樣本中，TACS-3評(píng)分也是一個(gè)與疾病特異性和無(wú)病生存率差的獨(dú)立預(yù)后因素。最近的研究表明，腫瘤在大長(zhǎng)度尺度上具有高度異質(zhì)性結(jié)構(gòu)。通過(guò)考慮離腫瘤邊界更遠(yuǎn)的膠原結(jié)構(gòu)的其他類(lèi)別，可能會(huì)提高TACS評(píng)分的預(yù)后價(jià)值。

類(lèi)似于TACS特異性纖維組織的特征也可以在其他腫瘤中觀察到，包括胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）。在這里，代表侵襲通道的TACS-3樣結(jié)構(gòu)不僅存在于早期癌前病變中，也存在于更晚期的疾病中。結(jié)合KPC小鼠模型中早期癌癥細(xì)胞擴(kuò)散的證據(jù)，這表明TACS評(píng)分可能比使用標(biāo)準(zhǔn)組織學(xué)更能區(qū)分疾病進(jìn)展。在其他腫瘤類(lèi)型中，隨著疾病進(jìn)展，3D膠原排列的其他方面也有所不同，但相關(guān)分類(lèi)尚不明確。例如，在卵巢癌中，膠原纖維比正常組織更為卷曲（圖2c），但膠原排列的整體變化不太明確，且在患者之間和內(nèi)部高度異質(zhì)性。在基底細(xì)胞癌（BCC）中，膠原纖維排列的影響也很復(fù)雜，與正常組織和良性病變相比，BCC樣本中的排列增加。矛盾的是，與其他膠原纖維而不是腫瘤邊界相比，高度排列的束與最不具侵襲性的BCC亞型相關(guān)，與之前討論的TACS評(píng)分相反。重要的是，這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)平行組織的膠原束仍然是BCC的有效標(biāo)志物，而不是單個(gè)膠原纖維的參數(shù)（即寬度、長(zhǎng)度、角度和直線度）。除了密度和排列之外，纖維特性在許多情況下也具有臨床相關(guān)性：例如，圍導(dǎo)管膠原纖維厚度增加已與PDAC患者的低生存率聯(lián)系起來(lái)（圖2b）。另一項(xiàng)最近的研究發(fā)現(xiàn)，纖維“直度”增加是指示非小細(xì)胞肺癌存在的一個(gè)潛在診斷標(biāo)志。有趣的是，高纖維寬度和低纖維排列也與不良生存率相關(guān)，但僅在肺腺癌中，這凸顯了需要針對(duì)特定疾病考慮不同纖維架構(gòu)的作用（圖2f）。   

圖2 在不同來(lái)源的癌癥中的纖維結(jié)構(gòu)顯示出與各種結(jié)果的相關(guān)性   

【控制3D纖維結(jié)構(gòu)的生物材料方法】

盡管先前已經(jīng)廣泛討論了在癌癥研究中使用的許多不同的聚合物生物材料，但在本文關(guān)注的是如何開(kāi)發(fā)和應(yīng)用生物材料模型來(lái)研究與組織特異性3D纖維結(jié)構(gòu)相關(guān)的癌癥進(jìn)展機(jī)制（圖1b及圖3）。因?yàn)殛P(guān)于特定基質(zhì)微結(jié)構(gòu)如何改變腫瘤進(jìn)展仍有許多未知，通常采用簡(jiǎn)化的方法，即小心且穩(wěn)健地模仿少量基質(zhì)參數(shù)，而不是復(fù)制在腫瘤中觀察到的全部復(fù)雜性（圖1a）。然而，必須注意到，旨在提出明確問(wèn)題的簡(jiǎn)化方法與準(zhǔn)確復(fù)制組織復(fù)雜性之間存在一種微妙的平衡。

水凝膠被定義為具有高含水量特征的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖3）。這些通常被細(xì)分為天然來(lái)源或合成水凝膠（圖3）。Matrigel可以說(shuō)是最著名的天然來(lái)源水凝膠的例子，它已廣泛應(yīng)用于腫瘤生長(zhǎng)、侵襲和血管生成測(cè)定，最近還用于建立患者來(lái)源的類(lèi)器官的“活體生物庫(kù)”。Matrigel是從Engelbreth-Holm–Swarm（EHS）小鼠腫瘤中提取的幾種商業(yè)可用水凝膠產(chǎn)品之一，被稱(chēng)為基底膜提取物。然而，由于Matrigel的動(dòng)物來(lái)源性質(zhì)導(dǎo)致批次間的變異性和成分定義不明確，最近人們推動(dòng)了更多定義明確的替代品的研究。

天然來(lái)源的水凝膠還可以包括膠原、藻酸鹽、明膠和透明質(zhì)酸。在某些情況下，為了交聯(lián)，會(huì)加入合成組分或官能團(tuán)，在這種情況下，水凝膠可能被視為“混合材料”。同樣，使用主要合成材料制造的水凝膠在癌癥研究中有重要應(yīng)用。特別是，開(kāi)創(chuàng)性的工作已經(jīng)證明了聚乙二醇（PEG）作為Matrigel的替代品，成功擴(kuò)展了小鼠和人源性腸類(lèi)器官的應(yīng)用。這些基于PEG的凝膠可以通過(guò)添加全長(zhǎng)ECM蛋白、聚糖或ECM模擬肽序列進(jìn)行功能化，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的多功能性。同樣，由自組裝肽制成的合成水凝膠可以使用全長(zhǎng)ECM蛋白和聚糖進(jìn)行修飾。

鑒于其能夠模仿腫瘤微環(huán)境的關(guān)鍵特征，將水凝膠用于3D癌癥建模是一種流行的方法。這包括能夠在生理相關(guān)范圍內(nèi)控制機(jī)械性質(zhì)如硬度和粘彈性的能力，如其他地方所綜述的。在某些情況下，與天然來(lái)源的基質(zhì)相比，合成系統(tǒng)可以提供對(duì)機(jī)械性質(zhì)的更優(yōu)控制，特別是PEG凝膠的情況，它們也可以設(shè)計(jì)成具有機(jī)械動(dòng)態(tài)性。這種合成系統(tǒng)還避免了天然來(lái)源水凝膠常見(jiàn)的可重復(fù)性問(wèn)題，并使得相對(duì)成本有效地結(jié)合生物活性配體成為可能。然而，可以說(shuō)，天然ECM考慮到了單個(gè)蛋白上多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)的可能性，以及可能在癌變組織中看到的替代ECM異構(gòu)體，例如那些來(lái)自剪接變體的結(jié)果。   

圖3 通過(guò)生物材料制造控制纖維結(jié)構(gòu)的方法

【指導(dǎo)組織特異性模型設(shè)計(jì)】

盡管上一節(jié)中總結(jié)的技術(shù)的最終目標(biāo)是產(chǎn)生能夠再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境關(guān)鍵特征的3D模型，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要對(duì)組織特異性纖維架構(gòu)有詳細(xì)的了解。此外，盡管某些纖維特性與臨床結(jié)果相關(guān)聯(lián)，但使用生物材料完全復(fù)制腫瘤纖維結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文強(qiáng)調(diào)了有潛力準(zhǔn)確映射腫瘤ECM的技術(shù)，它能夠促進(jìn)向組織模擬生物材料設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化（圖1）。   

生物材料設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性和可重復(fù)性也可以通過(guò)使用3D打印模板或模具來(lái)增強(qiáng)。例如，一種簡(jiǎn)單但創(chuàng)新的控制膠原排列的方法是使用3D可打印的楔形物，將涂有膠原的蓋玻片傾斜到一個(gè)受控的程度，依靠重力在產(chǎn)生的膠原基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生可重復(fù)的排列。同樣，學(xué)者們創(chuàng)建了一個(gè)模塊化的、可3D打印的系統(tǒng)，用于制造應(yīng)用于冰模板的熱梯度，這可以在不需要專(zhuān)門(mén)設(shè)備的情況下采用。另一項(xiàng)研究從乳腺癌的SHG圖像中參數(shù)化了膠原纖維方向的梯度，并使用微流體系統(tǒng)在膠原凝膠中再現(xiàn)它們，該系統(tǒng)具有故意設(shè)計(jì)的可重復(fù)性，以允許其他研究實(shí)驗(yàn)室使用。

【總結(jié)與展望】

當(dāng)前，生物材料和3D圖像表征領(lǐng)域的研究正在快速發(fā)展，即將進(jìn)入一個(gè)階段，在這個(gè)階段中，可以廣泛利用精確的腫瘤纖維架構(gòu)模型。盡管已經(jīng)可以獲得具有受控硬度和ECM組成的模型，但增加生物學(xué)上現(xiàn)實(shí)的纖維組織將增強(qiáng)組織真實(shí)模型的設(shè)計(jì)，這將影響基礎(chǔ)科學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)。本文建議，未來(lái)可以通過(guò)詳細(xì)的組織成像和纖維網(wǎng)絡(luò)參數(shù)化來(lái)指導(dǎo)高級(jí)生物材料的設(shè)計(jì)制造，這些生物材料具有組織真實(shí)的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)生物材料結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行成像，以使其與原始組織相關(guān)聯(lián)。隨著允許3D建筑控制的這類(lèi)生物材料技術(shù)的出現(xiàn)，很快將有可能闡明、功能性測(cè)試并驗(yàn)證ECM組織在癌癥發(fā)展、藥物反應(yīng)和最終患者結(jié)果中的關(guān)鍵作用。此外，組織特異性生物材料可以幫助預(yù)測(cè)治療效果，最終有助于患者分層，以提高治療成功的可能性。

此外，這些先進(jìn)的生物材料也可能在精準(zhǔn)醫(yī)療中有潛在應(yīng)用。最近的研究已將生物材料模型應(yīng)用于來(lái)自乳腺癌和胰腺癌患者的患者來(lái)源材料的擴(kuò)展和培養(yǎng)，控制ECM硬度、組成和纖維排列�；�于主要是無(wú)動(dòng)物源的生物材料技術(shù)，這些方法可以替代、減少和改進(jìn)如Matrigel等試劑的使用，用于維持和擴(kuò)展患者來(lái)源的類(lèi)器官。此外，基于組織組成和結(jié)構(gòu)的聯(lián)合分析來(lái)工程化患者特異性生物材料是一個(gè)有前景的方法。開(kāi)發(fā)Raman和質(zhì)譜成像方法用于ECM組成的空間映射，結(jié)合新的3D圖案化生物材料功能化技術(shù)，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)在高度先進(jìn)的精準(zhǔn)生物材料中對(duì)ECM纖維結(jié)構(gòu)和組成的聯(lián)合空間控制。盡管該領(lǐng)域仍有關(guān)鍵性問(wèn)題有待解決，但這種精準(zhǔn)生物材料的未來(lái)應(yīng)用非常有希望改善癌癥結(jié)果。通過(guò)材料科學(xué)家、癌癥研究人員以及組織成像和分析專(zhuān)家的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的協(xié)同努力，曾經(jīng)遙不可及的患者特異性藥物篩選方法的目標(biāo)正在穩(wěn)步推進(jìn)。   

文章來(lái)源：         
https://doi.org/10.1038/s41568-024-00704-8