研究人員利用生物3D打印模型來研究乳腺癌腫瘤異質(zhì)性

南極熊導(dǎo)讀：在《科學(xué)報(bào)告》最近發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種乳腺癌腫瘤微環(huán)境 (TME) 的3D生物打印體外模型，該模型由分散在水凝膠中的同時(shí)培養(yǎng)的細(xì)胞組成，并采用受控設(shè)計(jì)來評估腫瘤異質(zhì)性。

△通過這種模型，可以模擬和控制不同類型的腫瘤細(xì)胞在同一環(huán)境中的共存情況，以更好地研究和理解腫瘤的異質(zhì)性。這有助于我們更深入地了解腫瘤的復(fù)雜性和治療方案的設(shè)計(jì)

研究背景

乳腺癌是女性最常見的癌癥，也是第二常見的癌癥。腫瘤異質(zhì)性導(dǎo)致其侵襲性，細(xì)胞間和細(xì)胞-腫瘤微環(huán)境相互作用在腫瘤侵襲和進(jìn)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

利用芯片器官平臺(tái)來研究乳腺癌的異質(zhì)性的研究有限。有效的模型必須涵蓋腫瘤異質(zhì)性才能準(zhǔn)確研究癌癥進(jìn)展。

△( A ) 生物制造過程的示意圖，( B ) 打印機(jī)和生物打印結(jié)構(gòu)（用于說明目的的食用色素）

關(guān)于該研究

在這項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種使用3D生物打印平臺(tái)來模擬腫瘤中不同細(xì)胞定位所產(chǎn)生的表型異質(zhì)性的方法。他們創(chuàng)建了一個(gè)框架，用于對腫瘤中不同細(xì)胞定位或與腫瘤微環(huán)境相互作用導(dǎo)致的表型異質(zhì)性進(jìn)行建模。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員使用具有間質(zhì)特征的三陰性乳腺腫瘤細(xì)胞、乳腺腺癌細(xì)胞系和非癌性乳腺上皮細(xì)胞，將它們植入明膠-海藻酸鹽水凝膠中。然后，他們使用多墨盒擠出型生物打印機(jī)以特定的初始位置、結(jié)構(gòu)和受控的密度創(chuàng)建細(xì)胞異質(zhì)樣本。乳腺癌細(xì)胞被封裝在水凝膠中，并使用生物打印機(jī)進(jìn)行打印，構(gòu)建3D腫瘤模型以模擬體內(nèi)微環(huán)境。研究人員選擇了適合共培養(yǎng)測試的最佳水凝膠。

為了誘導(dǎo)細(xì)胞異質(zhì)性，研究小組隨機(jī)混合細(xì)胞或?qū)⑺鼈兣帕性谶B續(xù)的層中。研究人員創(chuàng)建了一種逐漸變化的化學(xué)梯度，用于分析MCF10A細(xì)胞在不同比例上存在的上皮生長因子趨化劑的方向上的細(xì)胞遷移。

研究人員進(jìn)行了可打印性和細(xì)胞活力研究以改進(jìn)生物墨水。他們使用單獨(dú)的壓力和速度控制來控制每個(gè)打印頭的材料流量，并使用各種水凝膠組合物和印刷壓力的組合來研究明膠-海藻酸鹽水凝膠的打印適性。

通過使用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT）對活細(xì)胞和死細(xì)胞的細(xì)胞活力進(jìn)行評估，研究人員在生物打印后立即以及四天、七天和十一天后對細(xì)胞活力進(jìn)行了研究。他們還使用激光掃描共焦顯微鏡研究了構(gòu)造，并通過流變測試評估了水凝膠的彈性和粘性模量。

此外，研究人員還創(chuàng)建了一種樹狀梯度發(fā)生器，可以與芯片上的腫瘤模型的生物3D打印打印相結(jié)合。該模型的長度為45毫米，寬度為21毫米。微流體梯度發(fā)生器是使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)構(gòu)建的。

△該論文研究題目為“通過3D生物打印腫瘤芯片模型控制共培養(yǎng)系統(tǒng)中的腫瘤異質(zhì)性”（傳送門）

研究結(jié)果

該方法利用生物打印技術(shù)可以精確控制共培養(yǎng)系統(tǒng)中細(xì)胞的位置和排列，從而實(shí)現(xiàn)不同腫瘤設(shè)計(jì)。使用22G噴嘴進(jìn)行生物打印時(shí)，需要較小的擠出壓力，這對細(xì)胞存活有利。根據(jù)活死細(xì)胞測定結(jié)果，生物打印后立即存活的MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞的比例在不同的水凝膠結(jié)構(gòu)中分別為94%、85%、97%和76%。

水凝膠結(jié)構(gòu)具有互連的多孔結(jié)構(gòu)，可以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部的營養(yǎng)擴(kuò)散，為活細(xì)胞提供充足的環(huán)境，并允許廢物從結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散。研究團(tuán)隊(duì)在打印后立即觀察到構(gòu)建體內(nèi)部具有良好的細(xì)胞分散性，吸光度值為0.9。隨著時(shí)間的推移，吸光度值逐漸升高，說明細(xì)胞的存活率增加。然而，在第11天觀察到吸光度值為2.1，表明細(xì)胞增殖率開始下降。

在第7天到第11天之間，這些結(jié)構(gòu)達(dá)到了細(xì)胞宿主的最大容量，一些細(xì)胞因此死亡。研究結(jié)果表明，3D生物打印水凝膠結(jié)構(gòu)具有生物相容性，可以使細(xì)胞長時(shí)間存活。最初的生物打印結(jié)構(gòu)層包含MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞，而后續(xù)層包含MCF7乳腺癌細(xì)胞，并放置在初始層之上。

△生物打印MDA-MD-231細(xì)胞的均勻分布和活力

與室中心相比，2D室邊緣附近的細(xì)胞群和細(xì)胞比例有所不同，但腫瘤細(xì)胞均勻地分布在3D生物打印結(jié)構(gòu)中。共培養(yǎng)的三維打印結(jié)構(gòu)的成像顯示，自第一天打印以來，兩種乳腺癌細(xì)胞類型隨機(jī)存在于所有層中，三天后，細(xì)胞開始形成簇。MCF7細(xì)胞似乎更容易遷移到MDA-MB-231，因?yàn)殍b定出的混合細(xì)胞簇中MCF7細(xì)胞比例更高。

MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞比MCF7細(xì)胞更快地向EGF趨化劑遷移。當(dāng)癌細(xì)胞與非癌細(xì)胞的比例為1:1時(shí)，遷移傾向最大。高擠出壓力會(huì)對細(xì)胞施加更大的剪切應(yīng)力，因此非常粘稠的水凝膠會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞活力降低。MTT結(jié)果顯示，一周內(nèi)的存活率相比于第一天有所上升，這證實(shí)了細(xì)胞對營養(yǎng)和氧氣的可及性。

△所提出的芯片上癌癥模型的摘要

研究結(jié)論

總體而言，研究結(jié)果表明，通過將3D生物打印和微流體設(shè)備相結(jié)合，可以制造出具有典型獨(dú)特腫瘤結(jié)構(gòu)的模型。這些模型可以幫助我們更好地了解異質(zhì)腫瘤及其微環(huán)境中癌細(xì)胞的活性，以更高的時(shí)間和地理分辨率觀察和研究它們的行為。此外，這些模型還可能提供重要信息，用于預(yù)測腫瘤轉(zhuǎn)移的時(shí)間。