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生物打印体外肿瘤模型用于个性化癌症治疗

期刊综述    2021-09-18 15:40

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研究背景

➣生物材料和组织工程方法的进步,尤其是生物打印技术的发展,为体外癌症研究的创新平台技术铺平了道路。生物打印可以准确地控制细胞、活性分子和生物材料的分布。 ➣综述描述了肿瘤及其微环境的基本特征,并着重于生物打印技术在肿瘤模型构建中的重要性和相关性。 ➣讨论了在单细胞、多细胞和个性化肿瘤模型的生物打印方面的研究进展,并综述了生物打印在临床前药物筛选和创新疗法中的综合应用。 ➣最后,对现有模型的缺点提出了自己的观点,并概述了下一代肿瘤模型的未来发展方向和应用前景。

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                                                                                    图1. 典型肿瘤微环境示意图。

➣肿瘤微环境以缺氧、低营养供给、低pH为特征,通过细胞因子、生长因子等生化信号调节肿瘤细胞与间质细胞之间的相互作用(图1)。 ➣肿瘤间和肿瘤内的异质性导致了细胞基因型、微环境组成、转移潜能和耐药性的多样性,从而阻碍了治疗。 ➣3D肿瘤球状体是通过3D细胞培养在体外形成的肿瘤簇。这些球状体模拟了人类实体肿瘤的形态结构和弥散范围,有利于药物疗效的准确分析。

 

构建肿瘤模型的3D生物打印技术

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图2. 生物打印的三种类型。

➣生物打印可根据工艺分为三种类型,包括喷墨、微挤压和激光辅助生物打印,如图所示2。 ➣喷墨生物打印使用热波,压电波或声波来挤出液滴。 印刷的液滴通过不同的化学或物理交联机制固化形成3D结构。其主要优点是成本低、速度快、分辨率高,可用于高通量药物筛选。该方法难以同时打印多细胞和多材料结构。 ➣微挤压生物打印使用气动或机械(活塞/螺杆辅助)方法挤压连续的丝状结构。该方法可以打印高浓度的细胞,甚至是细胞簇,有广泛的生物材料可供选择。这种方法使细胞暴露在高压和剪切应力下,影响细胞存活率。 ➣激光辅助生物打印可以选择性沉积光固化聚合物,还可通过直接激光书写或激光诱导方法制造所需形状的结构。其优点是可以打印更高的细胞密度。缺点是成本高,准备时间长;此外,单体毒性和紫外线固化容易造成细胞损伤。

 

体外肿瘤模型生物打印的研究进展

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图3. 多细胞肿瘤模型。

➣ 使用喷墨打印技术快速自动生成三明治细胞结构(细胞蛋白溶液-细胞)(图3(a))。人脐静脉内皮细胞(HUVEC)促进HepG2细胞分泌白蛋白(ALB)和细胞色素,表明空间结构和共培养细胞对肿瘤生长的调节作用。 ➣使用微挤压生物打印机构建了乳腺癌模型,包括脂肪来源的间充质干细胞/基质细胞(ADMSCs)和表皮受体2阳性原发性乳腺癌细胞(21PT)(图3(B))。发现ADMSC和21PT细胞的共培养降低了肿瘤细胞对阿霉素的药物敏感性。 ➣ 设计了三通道水凝胶挤出打印设备,成功打印出了具有直线中心、发夹中心、螺旋中心的肽共轭海藻酸钠水凝胶一次性成型结构。在体内再现了肿瘤细胞招募巨噬细胞的现象。 ➣使用微挤压生物打印机构建由GL261胶质母细胞瘤细胞和RAW 264.7巨噬细胞组成的仿生微脑模型(图3(D))。巨噬细胞可诱导小脑胶质母细胞瘤细胞的发展和侵袭。 ➣利用微挤压技术构建肿瘤模型,包括纳米材料功能化、刺激反应胶囊,然后根据肿瘤细胞、成纤维细胞的生理功能,精确放置肿瘤细胞簇,灌注血管细胞(图3 (E))。

 

个性化的肿瘤模型

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图4. 个性化的肿瘤模型。

➣ 多细胞培养不可避免的缺点是难以实现不同细胞的精确和可控打印位置。 ➣使用微挤压生物打印机,使用患者来源的胰腺肿瘤细胞、成纤维细胞和HUVECs构建了肿瘤-基质相互作用的无支架模型,改善了组织成熟、自组织和基质蛋白沉积(图4(a))。 ➣ 在临床环境中进行医疗点检测是可行的,因为基于3D打印的方法允许在合理的时间框架内建立芯片上的胶质母细胞瘤。 ➣结果不仅证明了直接利用患者细胞构建个性化肿瘤模型的可行性,而且促进了体外肿瘤模型的临床应用。 ➣个性化模式构建也存在一些挑战:(1)样本来源和保存方法有限;(2)原代肿瘤细胞培养的挑战;(3)建立不同疾病阶段动态肿瘤模型的可行性。

 

综合应用

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图5. 生物打印和体外肿瘤模型用于药物测试的示意图。

➣阐述了体外肿瘤模型在临床前药物试验中的应用,个性化治疗策略的开发,与体内结果的比较,并论证了体外模型在药物试验中的价值。 ➣生物打印的肿瘤模型可以反映实体瘤的关键特征,例如多种细胞类型的存在,ECM组分的整合,趋化因子的梯度和生理性物质转运,使该模型适合预测反应肿瘤细胞对一种抗癌药的研究,并研究了微环境介导的抗癌药反应的机制。 ➣使用多细胞卵巢癌模型评估以光动力疗法(PDT)为基础的基于机制的联合治疗方案。结果表明,PDT以序列依赖的方式协同增强卡铂的疗效,并使卵巢肿瘤细胞对化疗和生物制剂敏感。 ➣未来的研究应侧重于全基因组测序,转录组测序,外显子测序和其他分析,以验证基因序列的一致性,生物打印个性化肿瘤模型与亲代肿瘤组织之间的基因表达水平。

 

当前的挑战和未来的方向

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图6. 通过生物打印的组织结构在微观和长期培养在宏观的精确控制。

➣个性化的肿瘤模型构建最大的挑战在于样本来源的限制。将组织标本从手术台转移到实验室时,很难保存其生物活性。部分切除肿瘤的患者在随后的几年里没有接受手术治疗,从而阻碍了肿瘤样本的获取。 ➣从患者静脉血中提取循环肿瘤细胞,生成个性化模型也是未来发展的重要方向。该方法可以减少手术创伤,便于不同病理阶段患者的标本获取。 ➣在体外肿瘤模型中复制细胞-细胞相互作用和精确组织异质微环境是必要的。考虑到肿瘤微环境随时间的变化,智能、刺激反应材料可以部分再现这一变化过程,因此也具有一定的应用价值。 ➣ 除了3D生物打印生成的简单肿瘤模型外,其他设计和制造技术的进一步结合有望将肿瘤组织/器官模型与动态培养条件结合起来,以便进行更可靠的体外药物测试。

 

结论

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