3D肿瘤建模的革命性技术

来源： EngineeringForLife

目前，3D 体外肿瘤模型逐渐成为研究热点，可在肿瘤微环境中模拟组织特征和细胞间相互作用。水凝胶是一种交联成 3D 结构的亲水性聚合物网络，由于其吸水、膨胀、促进细胞生长和细胞间相互作用的能力而成为焦点。甲基丙烯酰化明胶 (GelMA) 水凝胶因其机械调节能力和出色的生物相容性而引起了极大兴趣。

本期EFL围绕2024年5月16日发表于《Materials Today Chemistry》杂志的综述“GelMA hydrogel: A game-changer in 3D tumor modeling”展开讨论。该文章主要关注利用 GelMA 水凝胶构建 3D 肿瘤模型方法的最新进展，此外，还对 GelMA 水凝胶未来发展方向提供了见解。      

肿瘤是威胁人类生命健康的重要疾病之一。目前，常用的肿瘤治疗方法主要包括手术、化疗、放疗和靶向治疗，但随着治疗时间的延长，肿瘤容易产生耐药性，易复发，给临床治疗带来严峻的挑战。因此，迫切需要开发一种能够准确复制肿瘤微环境（TME）、研究肿瘤发展的潜在机制并促进药物筛选的3D体外肿瘤模型。活细胞打印或3D生物打印是一种新兴技术，为组织工程和再生带来了革命性的发展，而3D 生物打印的一个基本关注点是能够使用生物墨水持续生成可复制的 3D 支架。GelMA 水凝胶含水量高、结构多孔，类似于 ECM，可在细胞活动中发挥重要作用，在 3D 生物打印中得到了广泛的应用。      

GelMA水凝胶在3D肿瘤直接构建中的应用
将肿瘤细胞封装在GelMA水凝胶中可以直接构建3D肿瘤模型，以探索肿瘤发展机制。近年来体外肝癌模型和肝芯片已成为动物模型的焦点和潜在替代品，有学者利用高通量微孔技术形成肝球体，以研究肝细胞活力（图1A），将HepG2 / C3A细胞封装在光交联GelMA水凝胶中，利用生物打印快速构建了大量的肝脏模型，可以精确调节包裹肝细胞的水凝胶外层厚度，并有助于进行长期的毒性评估（图 1B）。   

图1 体外肝癌模型

还有学者利用 GelMA/Matrigel 作为 ECM 支架，并装载了 MG-63 骨肉瘤细胞，通过液体浸润技术，实现了致密骨肉瘤细胞聚集体的制造（图 2A-B）。将 GelMA、甲基丙烯酰化透明质酸 (HAMA) 和细胞混合在一起获得前体溶液，将前体溶液注入模具中，使用紫外线对前体溶液进行光交联以获得载细胞的组织（图 2C-D）。此外，Peela 等人采用一种特殊的两步光刻技术，结合 GelMA 水凝胶，构建了乳腺 TME 模型。  

图2 体外骨肉瘤模型  

基于3D生物打印GelMA的肿瘤支架
作为一种新兴的增材制造技术，3D 生物打印技术是构建肿瘤模型的有力工具。GelMA 水凝胶表现出的显著生物活性特性使其成为适合用于 3D 生物打印的生物墨水，有助于更准确地复制和模拟肿瘤模型。Huang 等人通过基于喷射的打印制造了3D 胰腺导管腺癌 (PDAC) 微组织，将人胰腺癌细胞系（BxPC-3）和正常人真皮成纤维细胞封装在 GelMA溶液中进行打印（图 3A），检测吉西他滨溶液的耐药性（图 3B），结果表明，共培养的肿瘤微组织比单一模型表现出更好的耐药性。Zhang等人设计了一种基于GelMA 水凝胶的 PDAC 肿瘤模型（图3C），发现该模型适用于体内研究，无明显毒性，高基质刚度可显著促进PDAC进展和免疫抑制（图3D）。Heinrich等人开发了一种新型胶质母细胞瘤模型，以通过3D生物打印探索细胞与细胞之间的相互作用（图3E）。   

图3 PDAC 模型和胶质母细胞瘤模型

GelMA基水凝胶在高通量肿瘤药物筛选中的应用

GelMA水凝胶性能稳定，成型方法灵活，可以精确构建肿瘤模型，利用GelMA构建3D肿瘤模型，可以复制ECM的物理和化学性质以及外层细胞对药物分子扩散的屏障作用。因此，基于GelMA的肿瘤模型经常用于高通量药物筛选领域，以确保药物评估结果的可靠性。Antunes等人制作了一种新型转移性前列腺癌3D模型，模拟前列腺癌骨转移细胞异质性和ECM微环境，以进行化疗药物的细胞毒性筛选（图 4A-B）。还有研究利用微成型技术将具有不同交联度的 GelMA 水凝胶制备成具有可调硬度的载基质细胞微孔阵列，强调了基质-癌症相互作用与 ECM 硬度之间的显着相关性（图4C）。Wu 等人报道了一种集成工程系统，用于生成血管支持肿瘤以进行临床前药物筛选。结果表明，血管相关的TME在药物筛选实验中具有显著的耐药性。   

图4 体外肿瘤模型用于药物筛选

改性 GelMA 基水凝胶在肿瘤构建和治疗中的应用
GelMA 具有可注射性、出色的生物相容性以及与生物 3D 打印的兼容性，被视为多功能水凝胶开发中的关键基础材料。然而，单一、未功能化的聚合物很难充分满足复杂体外构建体的多方面需求。因此，对GelMA进行改性对于拓宽其在生物医学或组织工程领域的应用至关重要。Zhang等人提出了一种用于肿瘤化学、光热和光动力治疗的新型水凝胶微粒，通过微流控技术，将吲哚菁绿（ICG）封装在GelMA水凝胶中（图5A），经近红外光照射治疗后，有效抑制肿瘤生长（图5B）。Bova等人利用Pluronic F-127（PLU）对水凝胶进行改性，增加内部孔隙率，有利于细胞的三维生长，保持了细胞较高的活力（图 5C）。Yi 等将聚环氧乙烷水溶液与 GelMA 混合，制备了多级微孔载细胞水凝胶结构，该方法生产的生物墨水具有广泛的多功能性，可用于挤压打印和数字激光打印（图5D）。  

图5 改性 GelMA 基水凝胶的应用

总之，GelMA水凝胶因其优异的生物相容性、力学性能和光固化性而被广泛应用于组织工程领域。未来，有待进一步探索新技术来优化水凝胶的仿生性能，可更真实地模拟肿瘤的状态，简化成型工艺，构建结构复杂的GelMA水凝胶平台，从而阐明肿瘤内部细胞行为及其机制。此外，GelMA水凝胶还可以与多种纳米材料结合，形成共价-非共价杂化平台，克服机械刚度低、热稳定性低、降解速度过快的局限性，拓展其在肿瘤研究、组织工程等领域的应用。   

文章来源：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 24002179?via%3Dihub