揭示介導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)節(jié)的3D生物打印乳腺癌模型

來源： EngineeringForLife

乳腺癌是全球女性中最常見的癌癥之一，其治療抵抗性是導(dǎo)致患者死亡的主要原因。腫瘤微環(huán)境（TME）在乳腺癌的發(fā)展和治療抵抗中扮演著關(guān)鍵角色，但是，由于缺乏能夠準(zhǔn)確模擬腫瘤微環(huán)境四維動態(tài)的模型，對乳腺癌治療抵抗機制的深入理解受到了限制。傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)和體內(nèi)模型由于缺乏復(fù)雜性和三維結(jié)構(gòu)組織，無法充分模擬人類病理生理，導(dǎo)致許多在臨床前試驗中表現(xiàn)良好的藥物候選物在臨床應(yīng)用中失敗。因此，開發(fā)新的三維（3D）模型，特別是利用生物打印技術(shù)創(chuàng)建的模型，對于更好地理解腫瘤微環(huán)境和評估新療法的有效性至關(guān)重要。

波爾多大學(xué)Hugo Oliveira團隊使用微擠出生物打印技術(shù)，能夠可靠地生成包含與人類病理相關(guān)的細(xì)胞的不同癌癥和基質(zhì)區(qū)域的模型。所創(chuàng)建的模型展示了低氧癌癥核心和表面增殖增加的發(fā)展，以及癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）誘導(dǎo)的微血管樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加。這些變化與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）重塑同時發(fā)生，CAF通過沉積高水平的膠原蛋白和基質(zhì)細(xì)胞蛋白，同時增加腫瘤剛度，模擬乳腺癌纖維化發(fā)展。

1.主要內(nèi)容

圖1 微擠壓生物打印可重復(fù)性地生產(chǎn)毫米大小的乳腺癌模型，具有不同的癌癥和基質(zhì)區(qū)域

通過微擠出生物打印技術(shù)成功生產(chǎn)的毫米級乳腺癌模型（BpBCM），該模型具有明確的癌癥中心和基質(zhì)外圍區(qū)域。癌癥中心由MCF-7 GFP+（綠色）細(xì)胞組成，而基質(zhì)外圍則由HUVEC mKate+（紅色）細(xì)胞構(gòu)成。通過生物打印過程，這些細(xì)胞被封裝在特定的生物墨水中，并按照設(shè)計的步驟逐層沉積，形成了具有空間組織結(jié)構(gòu)的腫瘤模型。圖中還展示了生物打印后4小時的模型熒光成像，以及癌癥中心和基質(zhì)外圍輪廓的檢測和分布，證明了生物打印方法能夠可靠地再現(xiàn)具有預(yù)期幾何形狀和細(xì)胞分布的乳腺癌模型。

圖2 BpBCM腫瘤中心形成了一個表面增生的壞死樣缺氧核心

利用生物打印的乳腺癌模型（BpBCM）在培養(yǎng)過程中癌癥中心區(qū)域發(fā)展出類似壞死的低氧核心，而表面區(qū)域則顯示出增殖活性。通過活細(xì)胞（綠色）和死細(xì)胞（紅色）的染色，可以觀察到模型在培養(yǎng)第1天和第7天時細(xì)胞存活和死亡的分布情況。隨著時間的推移，模型中心區(qū)域的細(xì)胞活力下降，形成了壞死核心，而表面區(qū)域的細(xì)胞則表現(xiàn)出較高的增殖率。此外，通過HRE-dUnaG低氧報告基因的表達(dá)分析，證實了模型中心區(qū)域低氧環(huán)境的形成，并且與表面區(qū)域的增殖活性形成了對比。這些結(jié)果表明，BpBCM能夠模擬腫瘤微環(huán)境中的氧氣梯度和細(xì)胞行為的變化。   

圖3 BpBCM基質(zhì)室有利于癌細(xì)胞和微血管結(jié)構(gòu)的隨時間的成熟

如圖3所示，揭示了基質(zhì)細(xì)胞，特別是癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF），在生物打印的乳腺癌模型（BpBCM）中對癌癥細(xì)胞成熟和微血管結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響。通過免疫染色和3D網(wǎng)絡(luò)分析，研究者發(fā)現(xiàn)CAF的存在顯著增加了微血管樣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，表現(xiàn)為血管總長度、體積和分支點數(shù)量的增加。此外，CAF還通過分泌特定的蛋白質(zhì)和酶，如膠原蛋白和基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs），促進(jìn)了細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的重塑，從而影響了BpBCM的機械性質(zhì)和癌癥細(xì)胞的行為。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了CAF在腫瘤微環(huán)境中的重要作用，并指出了它們在癌癥進(jìn)展和治療反應(yīng)中的潛在調(diào)節(jié)作用。  

圖4 CAF重塑ECM蛋白組成和力學(xué)性能

通過質(zhì)譜分析，研究者發(fā)現(xiàn)CAF在模型成熟過程中顯著改變了ECM的蛋白質(zhì)組成，特別是增加了膠原蛋白、層粘連蛋白和基質(zhì)細(xì)胞蛋白的沉積。原子力顯微鏡（AFM）的力譜測量進(jìn)一步證實了CAF存在時，模型基質(zhì)的剛度顯著增加，這與CAF在乳腺癌纖維化發(fā)展中的作用一致。這些結(jié)果強調(diào)了CAF在腫瘤微環(huán)境中對ECM重塑和力學(xué)性質(zhì)調(diào)控的重要作用，以及這些變化如何影響腫瘤的生物學(xué)行為。   

圖5 在CAF存在的情況下，BpBCM對放療的反應(yīng)受到調(diào)節(jié)

與正常乳腺成纖維細(xì)胞（NMF）相比，CAF的存在顯著影響了模型對放療的響應(yīng)，表現(xiàn)為在CAF條件下放療后模型體積減小和增殖率增加不明顯。此外，通過細(xì)胞因子陣列分析，揭示了CAF和NMF條件下分泌組的差異，特別是CAF在放療后分泌了更高水平的與腫瘤進(jìn)展相關(guān)的細(xì)胞因子，如CXCL-1。這些結(jié)果表明CAF在腫瘤微環(huán)境中可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的分泌和改變腫瘤的力學(xué)性質(zhì)來促進(jìn)放療抗性，強調(diào)了CAF在乳腺癌治療中作為潛在治療靶點的重要性。

2.全文總結(jié)
本文通過3D生物打印技術(shù)成功創(chuàng)建了一個乳腺癌模型（BpBCM），該模型能夠模擬人類病理中的癌癥和基質(zhì)區(qū)域，展示了癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）在腫瘤微環(huán)境（TME）中的關(guān)鍵作用。研究揭示了CAF在促進(jìn)腫瘤核心低氧區(qū)域發(fā)展、增加微血管結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、重塑細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）以及調(diào)節(jié)腫瘤剛度方面的重要性。此外，該模型還證明了CAF在癌癥細(xì)胞對放療反應(yīng)中的保護(hù)作用，以及它們在調(diào)節(jié)治療后腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞因子分泌的變化。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了CAF在乳腺癌治療抗性中的作用，并為開發(fā)針對腫瘤微環(huán)境的新型治療策略提供了有價值的信息。   

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.08.037