3D腫瘤建模的革命性技術(shù)

來源： EngineeringForLife

目前，3D 體外腫瘤模型逐漸成為研究熱點(diǎn)，可在腫瘤微環(huán)境中模擬組織特征和細(xì)胞間相互作用。水凝膠是一種交聯(lián)成 3D 結(jié)構(gòu)的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)，由于其吸水、膨脹、促進(jìn)細(xì)胞生長和細(xì)胞間相互作用的能力而成為焦點(diǎn)。甲基丙烯酰化明膠 (GelMA) 水凝膠因其機(jī)械調(diào)節(jié)能力和出色的生物相容性而引起了極大興趣。

本期EFL圍繞2024年5月16日發(fā)表于《Materials Today Chemistry》雜志的綜述“GelMA hydrogel: A game-changer in 3D tumor modeling”展開討論。該文章主要關(guān)注利用 GelMA 水凝膠構(gòu)建 3D 腫瘤模型方法的最新進(jìn)展，此外，還對(duì) GelMA 水凝膠未來發(fā)展方向提供了見解。      

腫瘤是威脅人類生命健康的重要疾病之一。目前，常用的腫瘤治療方法主要包括手術(shù)、化療、放療和靶向治療，但隨著治療時(shí)間的延長，腫瘤容易產(chǎn)生耐藥性，易復(fù)發(fā)，給臨床治療帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開發(fā)一種能夠準(zhǔn)確復(fù)制腫瘤微環(huán)境（TME）、研究腫瘤發(fā)展的潛在機(jī)制并促進(jìn)藥物篩選的3D體外腫瘤模型�；罴�(xì)胞打印或3D生物打印是一種新興技術(shù)，為組織工程和再生帶來了革命性的發(fā)展，而3D 生物打印的一個(gè)基本關(guān)注點(diǎn)是能夠使用生物墨水持續(xù)生成可復(fù)制的 3D 支架。GelMA 水凝膠含水量高、結(jié)構(gòu)多孔，類似于 ECM，可在細(xì)胞活動(dòng)中發(fā)揮重要作用，在 3D 生物打印中得到了廣泛的應(yīng)用。      

GelMA水凝膠在3D腫瘤直接構(gòu)建中的應(yīng)用
將腫瘤細(xì)胞封裝在GelMA水凝膠中可以直接構(gòu)建3D腫瘤模型，以探索腫瘤發(fā)展機(jī)制。近年來體外肝癌模型和肝芯片已成為動(dòng)物模型的焦點(diǎn)和潛在替代品，有學(xué)者利用高通量微孔技術(shù)形成肝球體，以研究肝細(xì)胞活力（圖1A），將HepG2 / C3A細(xì)胞封裝在光交聯(lián)GelMA水凝膠中，利用生物打印快速構(gòu)建了大量的肝臟模型，可以精確調(diào)節(jié)包裹肝細(xì)胞的水凝膠外層厚度，并有助于進(jìn)行長期的毒性評(píng)估（圖 1B）。   

圖1 體外肝癌模型

還有學(xué)者利用 GelMA/Matrigel 作為 ECM 支架，并裝載了 MG-63 骨肉瘤細(xì)胞，通過液體浸潤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了致密骨肉瘤細(xì)胞聚集體的制造（圖 2A-B）。將 GelMA、甲基丙烯�；�透明質(zhì)酸 (HAMA) 和細(xì)胞混合在一起獲得前體溶液，將前體溶液注入模具中，使用紫外線對(duì)前體溶液進(jìn)行光交聯(lián)以獲得載細(xì)胞的組織（圖 2C-D）。此外，Peela 等人采用一種特殊的兩步光刻技術(shù)，結(jié)合 GelMA 水凝膠，構(gòu)建了乳腺 TME 模型。  

圖2 體外骨肉瘤模型  

基于3D生物打印GelMA的腫瘤支架
作為一種新興的增材制造技術(shù)，3D 生物打印技術(shù)是構(gòu)建腫瘤模型的有力工具。GelMA 水凝膠表現(xiàn)出的顯著生物活性特性使其成為適合用于 3D 生物打印的生物墨水，有助于更準(zhǔn)確地復(fù)制和模擬腫瘤模型。Huang 等人通過基于噴射的打印制造了3D 胰腺導(dǎo)管腺癌 (PDAC) 微組織，將人胰腺癌細(xì)胞系（BxPC-3）和正常人真皮成纖維細(xì)胞封裝在 GelMA溶液中進(jìn)行打印（圖 3A），檢測吉西他濱溶液的耐藥性（圖 3B），結(jié)果表明，共培養(yǎng)的腫瘤微組織比單一模型表現(xiàn)出更好的耐藥性。Zhang等人設(shè)計(jì)了一種基于GelMA 水凝膠的 PDAC 腫瘤模型（圖3C），發(fā)現(xiàn)該模型適用于體內(nèi)研究，無明顯毒性，高基質(zhì)剛度可顯著促進(jìn)PDAC進(jìn)展和免疫抑制（圖3D）。Heinrich等人開發(fā)了一種新型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型，以通過3D生物打印探索細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用（圖3E）。   

圖3 PDAC 模型和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型

GelMA基水凝膠在高通量腫瘤藥物篩選中的應(yīng)用

GelMA水凝膠性能穩(wěn)定，成型方法靈活，可以精確構(gòu)建腫瘤模型，利用GelMA構(gòu)建3D腫瘤模型，可以復(fù)制ECM的物理和化學(xué)性質(zhì)以及外層細(xì)胞對(duì)藥物分子擴(kuò)散的屏障作用。因此，基于GelMA的腫瘤模型經(jīng)常用于高通量藥物篩選領(lǐng)域，以確保藥物評(píng)估結(jié)果的可靠性。Antunes等人制作了一種新型轉(zhuǎn)移性前列腺癌3D模型，模擬前列腺癌骨轉(zhuǎn)移細(xì)胞異質(zhì)性和ECM微環(huán)境，以進(jìn)行化療藥物的細(xì)胞毒性篩選（圖 4A-B）。還有研究利用微成型技術(shù)將具有不同交聯(lián)度的 GelMA 水凝膠制備成具有可調(diào)硬度的載基質(zhì)細(xì)胞微孔陣列，強(qiáng)調(diào)了基質(zhì)-癌癥相互作用與 ECM 硬度之間的顯著相關(guān)性（圖4C）。Wu 等人報(bào)道了一種集成工程系統(tǒng)，用于生成血管支持腫瘤以進(jìn)行臨床前藥物篩選。結(jié)果表明，血管相關(guān)的TME在藥物篩選實(shí)驗(yàn)中具有顯著的耐藥性。   

圖4 體外腫瘤模型用于藥物篩選

改性 GelMA 基水凝膠在腫瘤構(gòu)建和治療中的應(yīng)用
GelMA 具有可注射性、出色的生物相容性以及與生物 3D 打印的兼容性，被視為多功能水凝膠開發(fā)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。然而，單一、未功能化的聚合物很難充分滿足復(fù)雜體外構(gòu)建體的多方面需求。因此，對(duì)GelMA進(jìn)行改性對(duì)于拓寬其在生物醫(yī)學(xué)或組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。Zhang等人提出了一種用于腫瘤化學(xué)、光熱和光動(dòng)力治療的新型水凝膠微粒，通過微流控技術(shù)，將吲哚菁綠（ICG）封裝在GelMA水凝膠中（圖5A），經(jīng)近紅外光照射治療后，有效抑制腫瘤生長（圖5B）。Bova等人利用Pluronic F-127（PLU）對(duì)水凝膠進(jìn)行改性，增加內(nèi)部孔隙率，有利于細(xì)胞的三維生長，保持了細(xì)胞較高的活力（圖 5C）。Yi 等將聚環(huán)氧乙烷水溶液與 GelMA 混合，制備了多級(jí)微孔載細(xì)胞水凝膠結(jié)構(gòu)，該方法生產(chǎn)的生物墨水具有廣泛的多功能性，可用于擠壓打印和數(shù)字激光打印（圖5D）。  

圖5 改性 GelMA 基水凝膠的應(yīng)用

總之，GelMA水凝膠因其優(yōu)異的生物相容性、力學(xué)性能和光固化性而被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域。未來，有待進(jìn)一步探索新技術(shù)來優(yōu)化水凝膠的仿生性能，可更真實(shí)地模擬腫瘤的狀態(tài)，簡化成型工藝，構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的GelMA水凝膠平臺(tái)，從而闡明腫瘤內(nèi)部細(xì)胞行為及其機(jī)制。此外，GelMA水凝膠還可以與多種納米材料結(jié)合，形成共價(jià)-非共價(jià)雜化平臺(tái)，克服機(jī)械剛度低、熱穩(wěn)定性低、降解速度過快的局限性，拓展其在腫瘤研究、組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。   

文章來源：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 24002179?via%3Dihub