仿生3D模型用于研究缺氧对肿瘤进展的影响

供稿人:裴娜 王玲
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

肿瘤的命运既取决于癌细胞的固有特征，也取决于肿瘤所处和生长的环境条件。而低氧是肿瘤微环境中的一个典型特征。因此需要在体外构建合适的肿瘤模型以研究氧气浓度对肿瘤进展的影响。目前，关于氧气浓度的肿瘤模型主要局限于二维培养，不能很好的模拟肿瘤在体内的生长状况。因此需要在体外构建三维模型以减少体外实验和体内真实情况之间的差异。

近期意大利Romagnolo肿瘤研究与治疗科学研究所（IRST）骨肿瘤与罕见肿瘤中心的科研人员利用通过PH驱动交联的I型胶原蛋白构建3D支架，该支架的平均孔隙度为85±6.3％允许细胞穿透整个支架。生长在该支架上的MDA-MB-231 和MCF-7两种细胞系均以组织样形态生在在支架内，显示出与匹配的异种移植肿瘤的相似性。

研究人员研究了细胞在构建的3D支架中的生长动力学，研究的指标包括细胞数量、细胞周期、细胞存活率、细胞凋亡率等，并与培养在2D中的细胞的生长动力学相比。

图1 3D仿生模型中的癌细胞生长动力学

结果显示，3D支架中的癌细胞显示出比单层培养的细胞更慢的增殖速率，并且细胞数量随着培养时间的推移而恒定。而单层培养的细胞显示出典型的指数增长。随着培养时间的推移，支架中活细胞的百分比显著下降，这与其凋亡率上升相对应。

研究人员还研究了氧气浓度（分别将样品培养在含有21% O2或1% O2的细胞培养箱中）对3D胶原支架中生长的不同类型的细胞迁移的影响。

图2 MDA-MB-231细胞随时间推移会向3D支架的边缘迁移(黄色荧光为染色的细胞，红色荧光是胶原蛋白支架的自发荧光)

结果表明，在21%O2中培养时，MDA-MB-231细胞随着培养时间的推移迁移到3D支架的外围区域。在实验性常氧条件下，MDA-MB-231的迁移是由低氧核心和氧充分的边缘部位之间的氧气梯度促进的，支架边缘的细胞百分比从第1天的20％增加到第7天的70％，相反，对于MCF-7细胞，在第1天和第7天之间，核心区域和边缘区域中的细胞分布相似，这些发现表明，在21% O2的培养环境中，由支架本身的三维介质引起的氧气梯度可以促进部分类型的细胞迁移到支架的边缘，而这种迁移的特性在1% O2的培养环境中消失了。同时这种迁移特性与细胞的类型有关，某些细胞如MCF-7细胞则不具有。

参考文献：
Liverani, C., et al., A biomimetic 3D model of hypoxia-driven cancer progression. Scientific Reports, 2019. 9(1).