生物3D打印的膠質母細胞瘤模型模擬細胞外基質力學性能異質性

來源：賽箔生物

膠質母細胞瘤（GBM）是最致命的原發(fā)性腦腫瘤，其特點是細胞和分子的高度異質性，血管過密，以及先天的耐藥。細胞成分和細胞外基質（ECM）是GBM中異質性的兩個主要來源。本文中，來自加州大學圣地亞哥分校的Tariq M. Rana和Shaochen Chen團隊的Min Tang等作者開發(fā)了具有腫瘤區(qū)域、無細胞ECM區(qū)域和內皮區(qū)域的仿生物三區(qū)GBM模型，其區(qū)域硬度與GBM基質、病理或正常腦實質和腦毛細血管相對應。DLP光固化生物3D打印技術的靈活性和多樣化的材料選擇允許對腫瘤模型的生物物理特性和生化特性進行正交調制。

源于患者的GBM細胞、人類內皮細胞和透明質酸衍生物被用來建立一個人源化的微環(huán)境。這項體外研究表明，生物物理信號參與各種腫瘤細胞行為和血管生成潛力，并調控腫瘤細胞轉化為不同分子亞型。硬質模型的轉錄表達與間充質亞型相似，腫瘤細胞呈彌漫性侵襲，并對替莫唑胺展現(xiàn)更高的藥物抗性，同時內皮細胞表現(xiàn)出出芽式血管新生形態(tài)。軟質模型表現(xiàn)出經(jīng)典亞型相關通路的富集，腫瘤細胞表現(xiàn)出擴張性細胞生長。本研究采用光固化生物3D打印技術，能夠實現(xiàn)快速、靈活和可重復的具有生物物理異質性的患者特異性GBM模型，在未來的研究中可以作為一個可調控的系統(tǒng)來研究GBM疾病機制和篩選藥物。

3D生物打印的GBM模型具有區(qū)域不同的生物物理特性
為了再現(xiàn)空間上不均勻的ECM微環(huán)境，并探究ECM異質性如何影響GBM的發(fā)展和內皮細胞的生長，作者利用DLP 3D生物打印系統(tǒng)和腦瘤特異性ECM衍生的生物墨水，包括GMHA和GelMA，創(chuàng)建四個不同的模型：純腫瘤的硬質模型、純腫瘤的軟質模型、共培養(yǎng)的硬質模型和共培養(yǎng)的軟質模型（圖1A）。共培養(yǎng)模型中采用了人臍帶血管內皮細胞（HUVECs）打印內皮區(qū)域，以包圍腫瘤和ECM區(qū)域（圖1B）。對ECM區(qū)域，作者設計了兩種不同的硬度，以模仿GBM組織的硬度和健康大腦的硬度（圖1C）。作者進一步使用這些具有不同機械性能的3D打印GBM模型，進行在生物物理信號和培養(yǎng)條件下的評估，包括基因表達、藥物反應、腫瘤細胞遷移行為和血管生成活動。（圖1E）。

圖1. 3D生物打印的GBM模型具有區(qū)域性的不同生物物理特性

與球狀體培養(yǎng)相比，3D模型具有不同的轉錄特征
主成分分析顯示，球狀體培養(yǎng)與任何一種3D培養(yǎng)相比都有截然不同的轉錄譜，而兩種3D培養(yǎng)之間的差異程度較�。▓D2A）。一些蛋白編碼的癌癥相關基因或預后基因在兩種3D培養(yǎng)條件下都上調了16倍以上（圖2B，C）。與球狀體相比，與 DNA復制、細胞周期調控和細胞分裂的通路在3D軟質模型中明顯富集（圖2D）。

圖2. GBM球狀體培養(yǎng)和3D模型之間不同的轉錄譜表達

硬質模型促進了GBM的缺氧和致瘤性特征

與缺氧、癌癥侵襲性、E-cadherin缺失引起的轉移，以及對干擾素、炎癥、ECM和細胞凋亡等外部刺激的反應的相關基因集在硬質模型中明顯富集（圖3A，B）。低氧相關的基因，以及低氧相關的血管生成標志物VEGFA和SPP1在硬質模型中都被上調（圖3C）。免疫熒光（IF）染色顯示，軟質模型中存在更多的KI67陽性細胞（圖3D）。

3D模型誘導不同的GBM侵襲模式和轉錄亞型
TS576細胞和CW468細胞在軟質模型中的侵襲面積分別是硬質模型的7倍和4.4倍（圖3F）。與從軟質模型中分離出的TS576細胞相比，從硬質模型中分離出的TS576細胞高度富含原發(fā)性GBM組織特征（圖3G），表明硬質模型將細胞轉化為更具有臨床意義的狀態(tài)。

圖3. 生物物理模式化誘導了GBM細胞不同的轉錄圖譜和侵襲模式

內皮細胞在3D打印的模型中表現(xiàn)出不同的生長模式和血管生成
在硬質模型中，遷移的CD31+HUVECs表現(xiàn)出類似出芽的血管新生形態(tài)，并與SOX2+GBM細胞緊密接觸（圖4A）。血管生成標志物SPP1和VEGFA在所有的3D模型中都是上調的，并且在硬質模型或共培養(yǎng)模型中明顯富集（圖4B）。

GBM-內皮細胞交流增強了腫瘤的侵襲和抗藥性
腫瘤細胞在軟質共培養(yǎng)模型中以類纖維細胞形態(tài)擴增，而在硬質模型中則以更圓的形態(tài)擴增（圖4C）。與球狀體培養(yǎng)的細胞相比，所有3D生物打印模型中腫瘤細胞都顯示出對TMZ的耐藥性增強（圖4D）。qPCR分析顯示，耐藥性相關基因如ABCG2和CXCL12在硬質共培養(yǎng)條件下分別上調了8倍和24倍（圖4E），與TMZ治療反應一致。

圖4. 硬質模型誘導了內皮細胞的萌芽血管生成，增強了GBM細胞的抗藥性

結論
本研究中，腫瘤區(qū)和內皮區(qū)被設計成具有類似于其原始狀態(tài)的硬度。在腫瘤區(qū)和內皮區(qū)之間打印了專門設計的ECM區(qū)域的兩種硬度條件，以模仿GBM重塑的基質或健康的腦實質硬度，并誘導不同的腫瘤細胞生長和行為。細胞在軟質模型中迅速增殖和擴增；在硬質模型中，與惡性表型有關的缺氧、干性和血管生成能力得到加強。

腫瘤細胞在兩種硬度的微環(huán)境中以不同的形態(tài)和模式侵入ECM區(qū)域。硬質模型中表現(xiàn)出單細胞彌漫性侵襲模式，而軟質模型中則表現(xiàn)出擴張性生長模式。這兩種侵襲模式都在GBM細胞中被觀察到過，這表明硬度變化模型可能適合模擬GBM發(fā)展的不同狀態(tài)�；�因集富集分析表明，這兩種硬度適合模擬不同的GBM亞型。

血管化是GBM的一個特征，它促進了腫瘤的生長，有利于腫瘤的侵襲�；�因表達顯示，硬質模型中的腫瘤細胞表達了較高的血管生成標志物，與硬質模型中觀察到的出芽表型一致。軟質模型促進了細胞的增殖，表現(xiàn)為腫瘤細胞的侵襲面積增大和內皮細胞的增殖。

對所有模型和球體培養(yǎng)對照的TMZ用藥處理處理結果顯示，硬質共培養(yǎng)模型的腫瘤細胞存活率最高，這表明硬質條件以及與內皮細胞的共培養(yǎng)增強了GBM的抗藥性。

本研究中提出的三區(qū)硬度模式的GBM模型是第一個將GBM的生理相關的生物物理異質性與生化相關的ECM材料相結合的模型。區(qū)域硬度更好地再現(xiàn)了原生環(huán)境，并可能有利于更多的生物模擬細胞-ECM和細胞相互作用。未來可用這些模型來研究GBM的不同亞型以及GBM的不同階段。硬度變化也可應用于未來的模型，研究生物物理對其他腫瘤-基質相互作用的影響。

原文：https://doi.org/10.1002/smll.202006050