AM：生物3D打印重建具有肿瘤微环境的体外转移模型

来源：EngineeringForLife

具备天然肿瘤微环境主要特征的3D体外模型的开发可以大大凸显潜在抗癌药物和治疗方法的功效。近期，明尼苏达大学Michael C.McAlpine团队发表在Advanced Materials杂志上题为“3D Bioprinted In Vitro Metastatic Models via Reconstructionof Tumor Microenvironments”的文章，通过3D生物打印技术将活细胞、功能化生物材料和可编程释放的胶囊精确放置来构建肿瘤体。这使信号分子梯度的时空控制成为可能，从而在局部水平上动态调节细胞行为。在基质细胞和生长因子的背景下，基于基质细胞和生长因子引导肿瘤细胞和内皮细胞迁移，建立了血管化肿瘤模型来模拟肿瘤扩散的关键步骤(侵袭、血管内渗和血管生成)。通过评估免疫毒素的抗癌功效，证明了转移模型在药物筛选中的实用性。这些3D带血管的肿瘤组织提供了一个概念验证平台，可用于：i）从根本上探索肿瘤发展和转移的分子机制，以及ii）临床前鉴定治疗药物和筛选抗癌药物。

潜在抗癌药物和治疗方法的临床表征面临的一个主要挑战是候选药物在体外与体内的功效差异。实际上，常用的2D单层细胞平面培养的模型通常难以准确地概括天然肿瘤微环境的特征。为了更好地获得活组织的特异性和复杂性， 3D培养平台已被开发用于重建机体细胞间以及细胞和细胞外基质（ECM）间的相互作用。生物3D打印技术为复杂组织结构的体外设计和制造提供了一种新的方法，它允许大量的活细胞组合和支撑阵列空间的精确控制集成，从而使各种组织工程具有很好的生物医学应用前景。在这项研究中，Michael C.McAlpine团队通过物理和化学手段设计和构建体外肿瘤模型，以近似肿瘤微环境特性，这些特性对转移性扩散的几个关键过程至关重要，包括侵袭、血管内灌注和血管生成。利用3D生物打印技术，将肿瘤细胞簇、基质细胞、灌注血管细胞按其生理功能精确排布。

转移模型的概念设计如图1所示。首先，通过3D打印的刺激-响应微胶囊的可控释放，模拟肿瘤组织的化学环境，并指导细胞迁移，在3D水凝胶基质中动态生成细胞外生物分子梯度。其次，可灌注血管被引入，进而产生循环肿瘤细胞(CTCs)。最后，多种趋化途径被编程来指导肿瘤细胞的侵袭和血管生成，创建一个转移模型来概括癌症扩散的开始。

图1 模拟转移扩散过程的3D打印体外肿瘤模型

3D打印可编程释放胶囊由激光照射触发(图2a)，用于在时间和空间上创建趋化因子梯度。为了模拟肿瘤组织的动态化学环境，我们使用了刺激-响应核壳胶囊。本研究选择了甲基丙烯酸化水凝胶(GelMA)作为支撑材料，而不是使用粘稠的水溶液，因为该凝胶此前已被证明在药物控释方面的应用，选用天然纤维蛋白水凝胶作为三维基质，其生物相容性和生物降解性使其成为肿瘤模型基质的主要成分，使细胞能够对自身的细胞外微环境进行改造。我们封装了表皮生长因子（EGF），以测试核壳胶囊有效载荷释放进行时空控制的可行性。图2b显示了激光在纤维蛋白凝胶内连续2天从单个胶囊中逐渐释放EGF 的过程，并通过胶囊内荧光强度随时间的降低定量分析。

图2 3D打印可编程释放胶囊在纤维蛋白凝胶中产生的生长因子梯度

接下来，Michael C.McAlpine团队设计实验验证了可编程释放胶囊产生的EGF梯度是否可以用来引导肿瘤细胞迁移。如图3a所示，在一个设计好的培养室内，在线性排列的趋化因子胶囊(右)和空白对照胶囊(左)之间打印一滴载有绿色荧光蛋白(GFP) -A549肺癌细胞的纤维蛋白(图3b)。为了产生持久的EGF梯度，从最接近细胞液滴的胶囊开始，胶囊被连续2天破裂。PLGA外壳在水凝胶中经历缓慢的水解，导致有效载荷的有限被动释放。

图3 用EGF胶囊阵列引导肿瘤细胞迁移

与动态化学环境一样，血管通路是一种常见的转移途径，也是仿生肿瘤模型的一个关键组成部分，如图1所示。基于特定设计的培养室使用引脚模型创建微通道，通过毛细管作用直接注射HUVEC悬液使血管内皮细胞内皮化(图3 b),通过灌注荧光染料标记的液体（通过添加甘油调节至与血液相似的粘度）证明血管腔的通畅且没有瞬时泄漏到周围的基质中（图3c）。

图4 肿瘤迁移模型

为了突出3D肿瘤模型在模拟靶细胞的体内微环境中的优势，Michael C. McAlpine等人将生物3D打印的肿瘤模型中的免疫毒素与2D单层培养的A549的抗癌作用进行了比较，结果表明，在存在成纤维细胞的情况下，肿瘤细胞表现出较低的增殖能力和对靶向毒素的敏感性。这意味着当掺入到凝胶中时，成纤维细胞的扩散速度和/或药物的结合速度较慢。因此，与传统的2D单层培养相比，这些3D肿瘤模型可以提供对药物体内细胞反应的更有意义的理解，包括细胞间和细胞与ECM间的相互作用，药物的内皮通透性以及基质的影响。

图5 使用三维肿瘤迁移模型进行抗癌药物的筛选

总的来说，生物3D打印构建的工程模型可以以物理和化学的方式重建具有高时空分辨率的肿瘤微环境，从而为肿瘤治疗提供以下工具：i）推进3D组织工程以动态模拟体内天然微系统并具有后期调制功能；ii）进一步了解肿瘤转移性传播，iii）筛选新型抗癌药物，以及（iv）测试特定的诊断和治疗策略。

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.xile ... 1002/adma.201806899