告别Matrigel，GelMA生物墨水用于肠肿瘤类器官构建及药物评价

来源： EFL生物3D打印与生物制造

抗肿瘤药物评价对于药物研发和临床指导至关重要。肿瘤类器官模型由于能够更好地模拟真实肿瘤组织，并且时间和经济成本较低，弥补了细胞系和异种移植模型的不足，越来越受到关注。然而，目前基于Matrigel的肿瘤类器官培养由于凝胶化速度慢、机械强度低，在与高通量工程方法的匹配方面存在局限性。

近日，中山大学刘杰教授等利用猪脂肪组织脱细胞外基质（adECM）和GelMA开发了一种新型的结直肠癌类器官培养复合生物墨水。该复合生物墨水在肠肿瘤类器官的有效培养和3D生物打印方面均表现出优异的性能，为促进肿瘤类器官在药物开发和临床指导中的应用提供了良好示范。相关工作以题为“3D bioprinting platform development for highthroughput cancer organoid models construction and drug evaluation”发表于《Biofabrication》上。

图1 利用生物3D打印技术从患者来源的肿瘤样本中提取类器官，构建高通量类器官药物筛选平台示意图   

考虑到GelMA具有快速稳定的光交联性能，加上源自明胶的良好生物相容性，作者采用丙烯酸化的方法，以甲基丙烯酸酐对明胶进行改性，成功制备了GelMA。脱细胞细胞外基质(dECM)是从特定动物组织中去除细胞后得到的凝胶材料。这种独特的材料可以最大限度地恢复各种组织成分及其比例，为细胞提供高度模拟的体外生长环境，提高体外病理模型的真实性和可靠性，本文作者在之前工作基础上制备了来自猪脂肪组织的 dECM 材料。经过一系列前期验证，优化了两种组分以1：1的比例混合，以获得易于应用的复合生物墨水。制备的GelMA/adECM复合生物墨水主要依靠GelMA带来的光交联特性进行凝胶化，并借助adECM的热敏特性进行凝胶化，使其凝胶化速度和凝胶强度远远优于依靠热敏特性进行凝胶化的传统Matrigel。

图2 复合生物墨水的热敏性能及光交联性能

通过对各种打印参数的综合测试，验证了复合生物墨水的打印性，从而确定了后续打印的最佳参数组合。实验结果表明，3D生物打印可以在96孔多孔板的每个孔中精确地打印出体积相同的水凝胶球，并且通过选择不同的生物墨水进行打印，可以精确地得到预期的打印图案，有利于后期选择多种材料或细胞构建复杂体系。   

图3 使用复合生物墨水进行3D生物打印

对于需要用于药物评价筛选的肿瘤类器官，通常在打印后3~5天内完成药敏实验。在5天的培养期内，打印后的复合生物墨水中活细胞的比例（96.90%）仅略低于Matrigel中的活细胞比例（99.26%），从而表明复合生物墨水足以满足药物评价实验中类器官培养的要求。

图4 在复合生物墨水中生物打印和培养的结直肠癌类器官死活状态

奥沙利铂（OX）作为目前治疗结直肠癌的一线药物之一，通过与DNA和RNA形成交联发挥抗肿瘤作用。选择OX作为模型药物，分析复合生物墨水构建的模型与传统模型患者来源的结直肠癌类器官药物敏感性的差异，以及该模型与基于细胞系的2D培养模型的差异。结果表明，在相同的药物浓度和作用时间下，两种类器官模型的细胞存活率均明显高于2D培养模型（Matrigel中为65.80%，复合生物墨水中为74.35%），这一非常显著的差异在过去已被广泛报道，表明肿瘤类器官在药物评估的真实性方面远远优于传统的2D模型。   

图5 药物敏感性测试

文章来源：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ad51a6