使用生物3D打印的腦部腫瘤模型，篩選有效的癌癥治療方法

2020年4月3日，南極熊從外媒獲悉，來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的一組研究人員提出了一種使用3D生物打印模型和成像平臺(tái)研究膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）的新方法，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是一種以腦瘤形式出現(xiàn)的侵襲性癌癥。

這些3D打印的大腦結(jié)構(gòu)可以潛在地幫助醫(yī)學(xué)專業(yè)人士更好地了解腫瘤的生長(zhǎng)方式，并加快發(fā)現(xiàn)新藥與之對(duì)抗的潛力。它們由人類腦細(xì)胞和生物材料的集合制成，并具有灌注的血管通道，可以長(zhǎng)期培養(yǎng)和遞送藥物，而3D成像技術(shù)可以對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)評(píng)估。

東北大學(xué)生物工程副教授，該研究的通訊作者Guohao Dai解釋說(shuō)：“這是一種很難治療的腦瘤，而且對(duì)腦腫瘤的研究也很困難，因?yàn)槟鸁o(wú)法真正看到正在發(fā)生的事情。通過(guò)我們的3D膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型和成像平臺(tái)，您可以快速了解細(xì)胞對(duì)放射或化學(xué)療法的反應(yīng)。”

△膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞積極侵入由人腦細(xì)胞和生物材料制成的模型，Guohao Dai攝。

盡早識(shí)別不成功的藥物治療

GBM是一種致命的腦瘤形式-它占所有腦瘤的15％，而被診斷患有癌癥的人中有10％可以生存五年以上。研究人員很難研究GBM，因?yàn)樗麄儫o(wú)法直接觀察腫瘤細(xì)胞如何生長(zhǎng)以及如何對(duì)活著的大腦進(jìn)行治療。因此，通常對(duì)小鼠或大鼠進(jìn)行研究，將其解剖以了解腫瘤的發(fā)展。但是，戴教授認(rèn)為，動(dòng)物研究既昂貴又費(fèi)時(shí)，而且不利于對(duì)活體組織中相同腫瘤的日常觀察。

為了更直接地研究GBM，Dai和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)體外GBM腫瘤模型進(jìn)行了生物3D打印，該模型具有模擬侵襲性腫瘤行為的微環(huán)境。這樣，該模型可以充當(dāng)腫瘤細(xì)胞浸潤(rùn)的腦組織。 Dai解釋了如何對(duì)模型進(jìn)行生物打印時(shí)說(shuō)：“我們使用人腦血管細(xì)胞，并將它們與人腦中的所有神經(jīng)元，周細(xì)胞，星形膠質(zhì)細(xì)胞和主要細(xì)胞類型連接起來(lái)。然后，我們使用3D打印以三維打印的方式堆疊它們?！?br />
研究人員在西奈山醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)外科醫(yī)生Jenny Zou和神經(jīng)科學(xué)家Roland Friedel的幫助下，從腦腫瘤患者中獲得了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤腫瘤干細(xì)胞。然后將這些單元格放置在3D生物打印模型的中間，該模型厚幾毫米。這樣一來(lái)，研究人員就可以觀察到腦腫瘤細(xì)胞如何像在患者體內(nèi)那樣積極侵襲，同時(shí)還可以長(zhǎng)期培養(yǎng)細(xì)胞：“ 3D構(gòu)建的模型允許復(fù)制3D環(huán)境，以用于生理性腫瘤侵襲和抗治療反應(yīng)。將腫瘤球體并入3D矩陣不僅允許GBM入侵，還可以延長(zhǎng)腫瘤球體的壽命。腫瘤干細(xì)胞的分化和治療抗性的發(fā)展需要長(zhǎng)期培養(yǎng)。”研究人員解釋說(shuō)。

△在不同環(huán)境中培養(yǎng)的GBM細(xì)胞的藥物反應(yīng)，圖片來(lái)自《科學(xué)進(jìn)展》。

為了準(zhǔn)確觀察3D模型中發(fā)生的事情而又不破壞它，Rensselaer Polytechnic Institute的生物醫(yī)學(xué)工程師Xavier Intes使用激光掃描了樣本，創(chuàng)建了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的3D快照。將該成像技術(shù)與3D生物打印相結(jié)合，使研究人員能夠評(píng)估腫瘤對(duì)常用化療藥物替莫唑胺的反應(yīng)，并評(píng)估其在治療過(guò)程中的有效性。他們發(fā)現(xiàn)該藥物長(zhǎng)期無(wú)效，與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的經(jīng)驗(yàn)相符。Dai補(bǔ)充說(shuō)：“我們用與患者化療相同的藥物治療腫瘤，我們監(jiān)測(cè)了兩個(gè)月的化療。我們發(fā)現(xiàn)化學(xué)療法無(wú)法殺死腫瘤。”

使用該模型，研究人員可以加快確定藥物治療膠質(zhì)母細(xì)胞瘤有效性的過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)替莫唑胺能夠在二維模型中殺死膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞，但是當(dāng)置于3D生物打印模型中時(shí)，腫瘤又長(zhǎng)大了。這樣，該方法已經(jīng)有效地及早發(fā)現(xiàn)了不成功的藥物，因此確保了只有最有前途的藥物才能用于動(dòng)物試驗(yàn)，甚至最終用于人類試驗(yàn)。

3D打印和腦瘤

3D打印模型的使用已證明是研究和治療腦瘤的有用工具。它們使研究人員和醫(yī)學(xué)從業(yè)人員可以準(zhǔn)確地觀察腫瘤，以更好地了解疾病或進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃。

例如，今年早些時(shí)候，總部位于英國(guó)的醫(yī)療技術(shù)公司3D LifePrints 3D打印了一個(gè)腫瘤模型，以幫助外科醫(yī)生去除六歲大的莉亞·本內(nèi)特（Leah Bennett）的癌腫。該模型幫助外科醫(yī)生進(jìn)行了術(shù)前計(jì)劃，從而增加了安全有效切除的機(jī)會(huì)。

在2019年，韓國(guó)科學(xué)家還詳細(xì)介紹了他們?nèi)绾问褂?D生物打印創(chuàng)建離體模型，該模型使用人類患者提取的細(xì)胞模擬GBM腫瘤的特征。

研究論文 “High-resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastoma tumor model under long-term drug treatment” 發(fā)表在《Science Advances.》上。它由Mehmet S. Ozturk, Vivian K. Lee, Hongyan Zou, Roland H. Friedel, Xavier Intes, and Guohao Dai 撰寫(xiě)。

編譯自：3dprintingindustry