生物3D打印出用于抗癌藥物仿生測試的骨肉瘤芯片模型

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當(dāng)前，骨肉瘤（OS）治療中標(biāo)準(zhǔn)化療方案因缺乏能反映原生OS結(jié)構(gòu)和細胞復(fù)雜性的模型，存在治療效果差、轉(zhuǎn)化差距大的問題。印度理工學(xué)院古瓦哈提分校的Biman B. Mandal教授團隊合作，利用雙擠壓3D生物打印方法開發(fā)了包含腫瘤和基質(zhì)成分的體外OS模型，并引入人體仿生微流控生物反應(yīng)器模擬動態(tài)腫瘤微環(huán)境，提供機械刺激，構(gòu)建了TC - OS（Dynamic）模型。該模型通過改善藥物篩選敏感性，解決了上述痛點，相關(guān)工作以“3D bioprinted microfluidic based osteosarcoma - on - a - chip model as a physiomimetic pre - clinical drug testing platform for anti - cancer drugs”為題發(fā)表在《Biomaterials》上。

研究內(nèi)容
通過繪制詳細的示意圖，結(jié)合3D生物打印技術(shù)和微流控系統(tǒng)的設(shè)計思路，研究了骨肉瘤的癥狀表現(xiàn)、腫瘤微環(huán)境的組成結(jié)構(gòu)，以及腫瘤和基質(zhì)生物墨水的配方構(gòu)成與TC-OS模型的構(gòu)建流程。結(jié)果表明，成功設(shè)計出包含腫瘤和基質(zhì)成分的3D生物打印模型，可用于后續(xù)的抗癌藥物篩選研究。

圖 1. 研究方案示意圖

運用流變學(xué)測試（如溫度掃描、振幅掃描、頻率掃描）、力學(xué)壓縮測試以及溶脹和穩(wěn)定性實驗等方法，對腫瘤和基質(zhì)生物墨水的黏度、彈性、強度、吸水能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行研究。結(jié)果顯示，兩種生物墨水具備良好的可打印性、機械性能和穩(wěn)定性，非常適合3D生物打印應(yīng)用。

圖 2. 生物墨水的理化特性表征

對3D打印機的溫度、壓力、打印速度等參數(shù)進行優(yōu)化，并采用熒光染料標(biāo)記細胞的方法，研究TC-OS模型的打印過程以及細胞在腫瘤和基質(zhì)區(qū)域的分布情況。結(jié)果表明，成功打印出具有清晰腫瘤-基質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型，且細胞在各自區(qū)域分布均勻。

圖 3. 3D打印參數(shù)優(yōu)化與模型構(gòu)建

借助CAD軟件設(shè)計微流控裝置，并利用計算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)，研究微流控裝置內(nèi)的流速、壓力和剪切應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示，該裝置能夠提供與生理條件相似的剪切應(yīng)力（約49 mPa），可有效模擬腫瘤微環(huán)境的力學(xué)刺激。

圖 4. 微流控裝置設(shè)計與流場模擬

采用活/死染色、免疫熒光染色（如Vimentin、OPN、vWF染色）、DNA定量分析和酶活性測定等方法，研究靜態(tài)和動態(tài)培養(yǎng)條件下TC-OS模型中細胞的存活率、增殖能力及分化功能。結(jié)果表明，動態(tài)培養(yǎng)（利用微流控裝置）能夠顯著促進細胞增殖、基質(zhì)礦化以及血管相關(guān)細胞功能，效果優(yōu)于靜態(tài)培養(yǎng)。

圖 5. 動態(tài)培養(yǎng)對細胞功能的影響

通過qRT-PCR技術(shù)分析基因表達水平，并構(gòu)建基因互作網(wǎng)絡(luò)，研究與腫瘤轉(zhuǎn)移、骨基質(zhì)形成、機械轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因（如ECAD、NCAD、VIM、RUNX2等）的表達情況。結(jié)果顯示，動態(tài)培養(yǎng)能夠上調(diào)促進腫瘤進展和機械信號傳導(dǎo)的基因表達，進而增強腫瘤細胞的惡性表型。

圖 6. 動態(tài)培養(yǎng)對基因表達的影響

運用Western blot技術(shù)檢測蛋白質(zhì)表達，并對信號通路網(wǎng)絡(luò)進行分析，研究機械轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白（如N-cadherin、Vimentin、YAP-1、ERK1/2等）的表達水平。結(jié)果表明，動態(tài)培養(yǎng)激活了細胞內(nèi)的機械信號通路，促進了與腫瘤細胞侵襲和轉(zhuǎn)移相關(guān)蛋白的表達。

  圖 7. 蛋白質(zhì)表達與機械信號通路分析

利用MTT法測定細胞活力，并結(jié)合基因和蛋白分析（如BAX、BCL-2、PARP-1等），研究TC-OS模型在靜態(tài)和動態(tài)條件下對阿霉素、順鉑、索拉非尼三種抗癌藥物的敏感性。結(jié)果顯示，動態(tài)培養(yǎng)的模型對藥物更為敏感，藥物能更高效地誘導(dǎo)細胞凋亡，同時降低了耐藥基因的表達。

圖 8. 藥物敏感性測試

研究結(jié)論
本研究利用先進的3D生物打印方法，重現(xiàn)了骨肉瘤腫瘤微環(huán)境的細胞和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。通過3D生物打印技術(shù)，開發(fā)出具有更高生理相關(guān)性和結(jié)構(gòu)功能保真度的模型，該模型與原生骨肉瘤腫瘤微環(huán)境高度相似。此外，通過仿生微流控生物反應(yīng)器引入動態(tài)媒體流，模擬了剪切應(yīng)力形式的機械刺激，進一步增強了模型的生理相關(guān)性。將3D生物打印與仿生微流控裝置相結(jié)合，為更好地模擬實際腫瘤微環(huán)境提供了顯著優(yōu)勢，有助于更準(zhǔn)確地評估抗癌藥物的療效和毒性。該研究為深入理解骨肉瘤生物學(xué)、促進抗癌藥物篩選以及更好地預(yù)測藥物反應(yīng)提供了新的視角和方法。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123267