研究人员利用生物3D打印模型来研究乳腺癌肿瘤异质性

南极熊导读：在《科学报告》最近发表的一项研究中，研究人员开发了一种乳腺癌肿瘤微环境 (TME) 的3D生物打印体外模型，该模型由分散在水凝胶中的同时培养的细胞组成，并采用受控设计来评估肿瘤异质性。

△通过这种模型，可以模拟和控制不同类型的肿瘤细胞在同一环境中的共存情况，以更好地研究和理解肿瘤的异质性。这有助于我们更深入地了解肿瘤的复杂性和治疗方案的设计

研究背景

乳腺癌是女性最常见的癌症，也是第二常见的癌症。肿瘤异质性导致其侵袭性，细胞间和细胞-肿瘤微环境相互作用在肿瘤侵袭和进展中发挥着至关重要的作用。

利用芯片器官平台来研究乳腺癌的异质性的研究有限。有效的模型必须涵盖肿瘤异质性才能准确研究癌症进展。

△( A ) 生物制造过程的示意图，( B ) 打印机和生物打印结构（用于说明目的的食用色素）

关于该研究

在这项研究中，研究人员开发了一种使用3D生物打印平台来模拟肿瘤中不同细胞定位所产生的表型异质性的方法。他们创建了一个框架，用于对肿瘤中不同细胞定位或与肿瘤微环境相互作用导致的表型异质性进行建模。

为了实现这一目标，研究人员使用具有间质特征的三阴性乳腺肿瘤细胞、乳腺腺癌细胞系和非癌性乳腺上皮细胞，将它们植入明胶-海藻酸盐水凝胶中。然后，他们使用多墨盒挤出型生物打印机以特定的初始位置、结构和受控的密度创建细胞异质样本。乳腺癌细胞被封装在水凝胶中，并使用生物打印机进行打印，构建3D肿瘤模型以模拟体内微环境。研究人员选择了适合共培养测试的最佳水凝胶。

为了诱导细胞异质性，研究小组随机混合细胞或将它们排列在连续的层中。研究人员创建了一种逐渐变化的化学梯度，用于分析MCF10A细胞在不同比例上存在的上皮生长因子趋化剂的方向上的细胞迁移。

研究人员进行了可打印性和细胞活力研究以改进生物墨水。他们使用单独的压力和速度控制来控制每个打印头的材料流量，并使用各种水凝胶组合物和印刷压力的组合来研究明胶-海藻酸盐水凝胶的打印适性。

通过使用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT）对活细胞和死细胞的细胞活力进行评估，研究人员在生物打印后立即以及四天、七天和十一天后对细胞活力进行了研究。他们还使用激光扫描共焦显微镜研究了构造，并通过流变测试评估了水凝胶的弹性和粘性模量。

此外，研究人员还创建了一种树状梯度发生器，可以与芯片上的肿瘤模型的生物3D打印打印相结合。该模型的长度为45毫米，宽度为21毫米。微流体梯度发生器是使用标准光刻技术构建的。

△该论文研究题目为“通过3D生物打印肿瘤芯片模型控制共培养系统中的肿瘤异质性”（传送门）

研究结果

该方法利用生物打印技术可以精确控制共培养系统中细胞的位置和排列，从而实现不同肿瘤设计。使用22G喷嘴进行生物打印时，需要较小的挤出压力，这对细胞存活有利。根据活死细胞测定结果，生物打印后立即存活的MDA-MB-231乳腺癌细胞的比例在不同的水凝胶结构中分别为94%、85%、97%和76%。

水凝胶结构具有互连的多孔结构，可以保证结构内部的营养扩散，为活细胞提供充足的环境，并允许废物从结构中扩散。研究团队在打印后立即观察到构建体内部具有良好的细胞分散性，吸光度值为0.9。随着时间的推移，吸光度值逐渐升高，说明细胞的存活率增加。然而，在第11天观察到吸光度值为2.1，表明细胞增殖率开始下降。

在第7天到第11天之间，这些结构达到了细胞宿主的最大容量，一些细胞因此死亡。研究结果表明，3D生物打印水凝胶结构具有生物相容性，可以使细胞长时间存活。最初的生物打印结构层包含MDA-MB-231乳腺癌细胞，而后续层包含MCF7乳腺癌细胞，并放置在初始层之上。

△生物打印MDA-MD-231细胞的均匀分布和活力

与室中心相比，2D室边缘附近的细胞群和细胞比例有所不同，但肿瘤细胞均匀地分布在3D生物打印结构中。共培养的三维打印结构的成像显示，自第一天打印以来，两种乳腺癌细胞类型随机存在于所有层中，三天后，细胞开始形成簇。MCF7细胞似乎更容易迁移到MDA-MB-231，因为鉴定出的混合细胞簇中MCF7细胞比例更高。

MDA-MB-231乳腺癌细胞比MCF7细胞更快地向EGF趋化剂迁移。当癌细胞与非癌细胞的比例为1:1时，迁移倾向最大。高挤出压力会对细胞施加更大的剪切应力，因此非常粘稠的水凝胶会导致细胞活力降低。MTT结果显示，一周内的存活率相比于第一天有所上升，这证实了细胞对营养和氧气的可及性。

△所提出的芯片上癌症模型的摘要

研究结论

总体而言，研究结果表明，通过将3D生物打印和微流体设备相结合，可以制造出具有典型独特肿瘤结构的模型。这些模型可以帮助我们更好地了解异质肿瘤及其微环境中癌细胞的活性，以更高的时间和地理分辨率观察和研究它们的行为。此外，这些模型还可能提供重要信息，用于预测肿瘤转移的时间。