揭示介导细胞外基质调节的3D生物打印乳腺癌模型

来源： EngineeringForLife

乳腺癌是全球女性中最常见的癌症之一，其治疗抵抗性是导致患者死亡的主要原因。肿瘤微环境（TME）在乳腺癌的发展和治疗抵抗中扮演着关键角色，但是，由于缺乏能够准确模拟肿瘤微环境四维动态的模型，对乳腺癌治疗抵抗机制的深入理解受到了限制。传统的2D细胞培养和体内模型由于缺乏复杂性和三维结构组织，无法充分模拟人类病理生理，导致许多在临床前试验中表现良好的药物候选物在临床应用中失败。因此，开发新的三维（3D）模型，特别是利用生物打印技术创建的模型，对于更好地理解肿瘤微环境和评估新疗法的有效性至关重要。

波尔多大学Hugo Oliveira团队使用微挤出生物打印技术，能够可靠地生成包含与人类病理相关的细胞的不同癌症和基质区域的模型。所创建的模型展示了低氧癌症核心和表面增殖增加的发展，以及癌症相关成纤维细胞（CAF）诱导的微血管样结构复杂性的增加。这些变化与细胞外基质（ECM）重塑同时发生，CAF通过沉积高水平的胶原蛋白和基质细胞蛋白，同时增加肿瘤刚度，模拟乳腺癌纤维化发展。

1.主要内容

图1 微挤压生物打印可重复性地生产毫米大小的乳腺癌模型，具有不同的癌症和基质区域

通过微挤出生物打印技术成功生产的毫米级乳腺癌模型（BpBCM），该模型具有明确的癌症中心和基质外围区域。癌症中心由MCF-7 GFP+（绿色）细胞组成，而基质外围则由HUVEC mKate+（红色）细胞构成。通过生物打印过程，这些细胞被封装在特定的生物墨水中，并按照设计的步骤逐层沉积，形成了具有空间组织结构的肿瘤模型。图中还展示了生物打印后4小时的模型荧光成像，以及癌症中心和基质外围轮廓的检测和分布，证明了生物打印方法能够可靠地再现具有预期几何形状和细胞分布的乳腺癌模型。

图2 BpBCM肿瘤中心形成了一个表面增生的坏死样缺氧核心

利用生物打印的乳腺癌模型（BpBCM）在培养过程中癌症中心区域发展出类似坏死的低氧核心，而表面区域则显示出增殖活性。通过活细胞（绿色）和死细胞（红色）的染色，可以观察到模型在培养第1天和第7天时细胞存活和死亡的分布情况。随着时间的推移，模型中心区域的细胞活力下降，形成了坏死核心，而表面区域的细胞则表现出较高的增殖率。此外，通过HRE-dUnaG低氧报告基因的表达分析，证实了模型中心区域低氧环境的形成，并且与表面区域的增殖活性形成了对比。这些结果表明，BpBCM能够模拟肿瘤微环境中的氧气梯度和细胞行为的变化。   

图3 BpBCM基质室有利于癌细胞和微血管结构的随时间的成熟

如图3所示，揭示了基质细胞，特别是癌症相关成纤维细胞（CAF），在生物打印的乳腺癌模型（BpBCM）中对癌症细胞成熟和微血管结构发展的影响。通过免疫染色和3D网络分析，研究者发现CAF的存在显著增加了微血管样结构的复杂性，表现为血管总长度、体积和分支点数量的增加。此外，CAF还通过分泌特定的蛋白质和酶，如胶原蛋白和基质金属蛋白酶（MMPs），促进了细胞外基质（ECM）的重塑，从而影响了BpBCM的机械性质和癌症细胞的行为。这些发现强调了CAF在肿瘤微环境中的重要作用，并指出了它们在癌症进展和治疗反应中的潜在调节作用。  

图4 CAF重塑ECM蛋白组成和力学性能

通过质谱分析，研究者发现CAF在模型成熟过程中显著改变了ECM的蛋白质组成，特别是增加了胶原蛋白、层粘连蛋白和基质细胞蛋白的沉积。原子力显微镜（AFM）的力谱测量进一步证实了CAF存在时，模型基质的刚度显著增加，这与CAF在乳腺癌纤维化发展中的作用一致。这些结果强调了CAF在肿瘤微环境中对ECM重塑和力学性质调控的重要作用，以及这些变化如何影响肿瘤的生物学行为。   

图5 在CAF存在的情况下，BpBCM对放疗的反应受到调节

与正常乳腺成纤维细胞（NMF）相比，CAF的存在显著影响了模型对放疗的响应，表现为在CAF条件下放疗后模型体积减小和增殖率增加不明显。此外，通过细胞因子阵列分析，揭示了CAF和NMF条件下分泌组的差异，特别是CAF在放疗后分泌了更高水平的与肿瘤进展相关的细胞因子，如CXCL-1。这些结果表明CAF在肿瘤微环境中可能通过调节细胞因子的分泌和改变肿瘤的力学性质来促进放疗抗性，强调了CAF在乳腺癌治疗中作为潜在治疗靶点的重要性。

2.全文总结
本文通过3D生物打印技术成功创建了一个乳腺癌模型（BpBCM），该模型能够模拟人类病理中的癌症和基质区域，展示了癌症相关成纤维细胞（CAF）在肿瘤微环境（TME）中的关键作用。研究揭示了CAF在促进肿瘤核心低氧区域发展、增加微血管结构复杂性、重塑细胞外基质（ECM）以及调节肿瘤刚度方面的重要性。此外，该模型还证明了CAF在癌症细胞对放疗反应中的保护作用，以及它们在调节治疗后肿瘤微环境中细胞因子分泌的变化。这些发现强调了CAF在乳腺癌治疗抗性中的作用，并为开发针对肿瘤微环境的新型治疗策略提供了有价值的信息。   

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.08.037