3D打印纤维结构在癌症中的重要性及其对生物材料模型设计的影响

来源： EFL生物3D打印与生物制造

改善临床反应预测的需求正在推动具有增强生理相关性的癌症模型的发展。当前，一个新的“精准生物材料”概念正在浮现，它包括模拟患者的生物材料模型，这些模型旨在通过精确复制关键的微环境特征来准确地检测、治疗和模拟癌症。尽管最近的进展允许在体外复制组织类似的硬度和分子组成，但复制肿瘤细胞外基质（ECM）中发现的3D纤维结构的方法仍然相对未经探索。

来自英国诺丁汉大学的J. C. Ashworth团队与来自澳大利亚加文医学研究所的T. R. Cox团队合作总结了已知的肿瘤纤维结构的作用，强调了它们在细胞-基质相互作用以及最终的临床结果中的影响。本文探讨了在体外复制特定组织的3D纤维结构的挑战，突出了相关的生物材料制造技术及其优势和局限性。最后，讨论了成像和图像分析技术（聚焦于针对胶原蛋白I优化的方法），这可能是将特定于肿瘤的ECM映射到高保真生物材料模型的关键。本研究团队预计，一个跨学科的方法，结合材料科学、癌症研究和图像分析，将阐明3D纤维结构在肿瘤发展中的作用，从而引领下一代模拟患者的模型，用于机制研究和药物发现。相关工作以题为“The importance of 3D fibre architecture in cancer and implications for biomaterial model design”的综述文章发表在2024年06月17日的期刊《Nature reviews cancer》。  

尽管目前已经有大量的研究集中在设计具有组织真实硬度的生物材料上，但复制癌症基质中发现的复杂3D纤维结构在一个高保真的可扩展生物材料模型中仍然是一个未满足的挑战。虽然具有控制成分的模型通常专注于改变单个或少量ECM（细胞外基质）成分的相对比例，但它们复制原生组织中发现的特定纤维图案、方向和特征尺寸的潜力相对来说还未被探索。这部分受到了肿瘤中ECM结构巨大异质性的阻碍。本综述解决了这一知识空白，强调了这种组织真实的生物材料模型对纤维结构的需求，讨论了其设计和制造所涉及的挑战，并概述了目前用于体外复制特定组织3D纤维网络的尖端技术。本文强调需要多学科方法来设计下一代精准组织模型，将材料科学中的新创新与先进的显微镜技术和图像分析技术相结合（图1）。本文将“纤维”定义为生物材料或组织内的任何细长结构单元，包括由ECM蛋白和合成物质组成的那些。

图1 设计和制造具有组织匹配的3D纤维结构的精准生物材料的方法

【3D纤维结构在癌症中的作用】

细胞外基质（ECM）大致可分为两个组成部分：间质基质和基底膜。在正常、非病变的组织中，ECM经历持续的重塑，但这一过程在癌症中变得失调，导致ECM沉积和降解的变化。在癌症中观察到间质基质和基底膜的重塑，例如，基底膜的丧失会破坏顶-底极性，使上皮细胞与间质基质接触。

在最早研究纤维组织与患者预后之间联系的开创性工作中主要的焦点是乳腺癌。长期以来，人们已经认识到，与基质蛋白增加相关的乳房X线密度是与乳腺癌发病最强烈的独立风险因素之一。最近，来自高乳房X线密度区域的组织被发现长、排列整齐的纤维状胶原束的普遍存在增加了，而不是与无定形胶原的水平有关。在一项里程碑式的研究中，使用二次谐波成像显微镜对人乳腺癌的活检组织切片进行了成像，并根据肿瘤边界处胶原纤维的存在和排列对其进行了分类，定义了一组与肿瘤相关的胶原特征（TACS）。在乳腺癌的小鼠模型中，将TACS级别从TACS-1增加到TACS-3，代表了从早期到晚期肿瘤发生的转变，这与局部细胞定向侵袭的增加相对应。在临床样本中，TACS-3评分也是一个与疾病特异性和无病生存率差的独立预后因素。最近的研究表明，肿瘤在大长度尺度上具有高度异质性结构。通过考虑离肿瘤边界更远的胶原结构的其他类别，可能会提高TACS评分的预后价值。

类似于TACS特异性纤维组织的特征也可以在其他肿瘤中观察到，包括胰腺导管腺癌（PDAC）。在这里，代表侵袭通道的TACS-3样结构不仅存在于早期癌前病变中，也存在于更晚期的疾病中。结合KPC小鼠模型中早期癌症细胞扩散的证据，这表明TACS评分可能比使用标准组织学更能区分疾病进展。在其他肿瘤类型中，随着疾病进展，3D胶原排列的其他方面也有所不同，但相关分类尚不明确。例如，在卵巢癌中，胶原纤维比正常组织更为卷曲（图2c），但胶原排列的整体变化不太明确，且在患者之间和内部高度异质性。在基底细胞癌（BCC）中，胶原纤维排列的影响也很复杂，与正常组织和良性病变相比，BCC样本中的排列增加。矛盾的是，与其他胶原纤维而不是肿瘤边界相比，高度排列的束与最不具侵袭性的BCC亚型相关，与之前讨论的TACS评分相反。重要的是，这项研究强调平行组织的胶原束仍然是BCC的有效标志物，而不是单个胶原纤维的参数（即宽度、长度、角度和直线度）。除了密度和排列之外，纤维特性在许多情况下也具有临床相关性：例如，围导管胶原纤维厚度增加已与PDAC患者的低生存率联系起来（图2b）。另一项最近的研究发现，纤维“直度”增加是指示非小细胞肺癌存在的一个潜在诊断标志。有趣的是，高纤维宽度和低纤维排列也与不良生存率相关，但仅在肺腺癌中，这凸显了需要针对特定疾病考虑不同纤维架构的作用（图2f）。   

图2 在不同来源的癌症中的纤维结构显示出与各种结果的相关性   

【控制3D纤维结构的生物材料方法】

尽管先前已经广泛讨论了在癌症研究中使用的许多不同的聚合物生物材料，但在本文关注的是如何开发和应用生物材料模型来研究与组织特异性3D纤维结构相关的癌症进展机制（图1b及图3）。因为关于特定基质微结构如何改变肿瘤进展仍有许多未知，通常采用简化的方法，即小心且稳健地模仿少量基质参数，而不是复制在肿瘤中观察到的全部复杂性（图1a）。然而，必须注意到，旨在提出明确问题的简化方法与准确复制组织复杂性之间存在一种微妙的平衡。

水凝胶被定义为具有高含水量特征的亲水性聚合物网络（图3）。这些通常被细分为天然来源或合成水凝胶（图3）。Matrigel可以说是最著名的天然来源水凝胶的例子，它已广泛应用于肿瘤生长、侵袭和血管生成测定，最近还用于建立患者来源的类器官的“活体生物库”。Matrigel是从Engelbreth-Holm–Swarm（EHS）小鼠肿瘤中提取的几种商业可用水凝胶产品之一，被称为基底膜提取物。然而，由于Matrigel的动物来源性质导致批次间的变异性和成分定义不明确，最近人们推动了更多定义明确的替代品的研究。

天然来源的水凝胶还可以包括胶原、藻酸盐、明胶和透明质酸。在某些情况下，为了交联，会加入合成组分或官能团，在这种情况下，水凝胶可能被视为“混合材料”。同样，使用主要合成材料制造的水凝胶在癌症研究中有重要应用。特别是，开创性的工作已经证明了聚乙二醇（PEG）作为Matrigel的替代品，成功扩展了小鼠和人源性肠类器官的应用。这些基于PEG的凝胶可以通过添加全长ECM蛋白、聚糖或ECM模拟肽序列进行功能化，进一步增强了系统的多功能性。同样，由自组装肽制成的合成水凝胶可以使用全长ECM蛋白和聚糖进行修饰。

鉴于其能够模仿肿瘤微环境的关键特征，将水凝胶用于3D癌症建模是一种流行的方法。这包括能够在生理相关范围内控制机械性质如硬度和粘弹性的能力，如其他地方所综述的。在某些情况下，与天然来源的基质相比，合成系统可以提供对机械性质的更优控制，特别是PEG凝胶的情况，它们也可以设计成具有机械动态性。这种合成系统还避免了天然来源水凝胶常见的可重复性问题，并使得相对成本有效地结合生物活性配体成为可能。然而，可以说，天然ECM考虑到了单个蛋白上多个结合位点的可能性，以及可能在癌变组织中看到的替代ECM异构体，例如那些来自剪接变体的结果。   

图3 通过生物材料制造控制纤维结构的方法

【指导组织特异性模型设计】

尽管上一节中总结的技术的最终目标是产生能够再现肿瘤微环境关键特征的3D模型，但实现这一目标需要对组织特异性纤维架构有详细的了解。此外，尽管某些纤维特性与临床结果相关联，但使用生物材料完全复制肿瘤纤维结构仍然是一个挑战。本文强调了有潜力准确映射肿瘤ECM的技术，它能够促进向组织模拟生物材料设计的转化（图1）。   

生物材料设计的可扩展性和可重复性也可以通过使用3D打印模板或模具来增强。例如，一种简单但创新的控制胶原排列的方法是使用3D可打印的楔形物，将涂有胶原的盖玻片倾斜到一个受控的程度，依靠重力在产生的胶原基质内产生可重复的排列。同样，学者们创建了一个模块化的、可3D打印的系统，用于制造应用于冰模板的热梯度，这可以在不需要专门设备的情况下采用。另一项研究从乳腺癌的SHG图像中参数化了胶原纤维方向的梯度，并使用微流体系统在胶原凝胶中再现它们，该系统具有故意设计的可重复性，以允许其他研究实验室使用。

【总结与展望】

当前，生物材料和3D图像表征领域的研究正在快速发展，即将进入一个阶段，在这个阶段中，可以广泛利用精确的肿瘤纤维架构模型。尽管已经可以获得具有受控硬度和ECM组成的模型，但增加生物学上现实的纤维组织将增强组织真实模型的设计，这将影响基础科学和药物发现。本文建议，未来可以通过详细的组织成像和纤维网络参数化来指导高级生物材料的设计制造，这些生物材料具有组织真实的结构，然后对生物材料结构本身进行成像，以使其与原始组织相关联。随着允许3D建筑控制的这类生物材料技术的出现，很快将有可能阐明、功能性测试并验证ECM组织在癌症发展、药物反应和最终患者结果中的关键作用。此外，组织特异性生物材料可以帮助预测治疗效果，最终有助于患者分层，以提高治疗成功的可能性。

此外，这些先进的生物材料也可能在精准医疗中有潜在应用。最近的研究已将生物材料模型应用于来自乳腺癌和胰腺癌患者的患者来源材料的扩展和培养，控制ECM硬度、组成和纤维排列。基于主要是无动物源的生物材料技术，这些方法可以替代、减少和改进如Matrigel等试剂的使用，用于维持和扩展患者来源的类器官。此外，基于组织组成和结构的联合分析来工程化患者特异性生物材料是一个有前景的方法。开发Raman和质谱成像方法用于ECM组成的空间映射，结合新的3D图案化生物材料功能化技术，可能会实现在高度先进的精准生物材料中对ECM纤维结构和组成的联合空间控制。尽管该领域仍有关键性问题有待解决，但这种精准生物材料的未来应用非常有希望改善癌症结果。通过材料科学家、癌症研究人员以及组织成像和分析专家的跨学科团队的协同努力，曾经遥不可及的患者特异性药物筛选方法的目标正在稳步推进。   

文章来源：         
https://doi.org/10.1038/s41568-024-00704-8