仿生3D模型用于研究缺氧對腫瘤進(jìn)展的影響

供稿人:裴娜 王玲
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

腫瘤的命運(yùn)既取決于癌細(xì)胞的固有特征，也取決于腫瘤所處和生長的環(huán)境條件。而低氧是腫瘤微環(huán)境中的一個(gè)典型特征。因此需要在體外構(gòu)建合適的腫瘤模型以研究氧氣濃度對腫瘤進(jìn)展的影響。目前，關(guān)于氧氣濃度的腫瘤模型主要局限于二維培養(yǎng)，不能很好的模擬腫瘤在體內(nèi)的生長狀況。因此需要在體外構(gòu)建三維模型以減少體外實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)真實(shí)情況之間的差異。

近期意大利Romagnolo腫瘤研究與治療科學(xué)研究所（IRST）骨腫瘤與罕見腫瘤中心的科研人員利用通過PH驅(qū)動交聯(lián)的I型膠原蛋白構(gòu)建3D支架，該支架的平均孔隙度為85±6.3％允許細(xì)胞穿透整個(gè)支架。生長在該支架上的MDA-MB-231 和MCF-7兩種細(xì)胞系均以組織樣形態(tài)生在在支架內(nèi)，顯示出與匹配的異種移植腫瘤的相似性。

研究人員研究了細(xì)胞在構(gòu)建的3D支架中的生長動力學(xué)，研究的指標(biāo)包括細(xì)胞數(shù)量、細(xì)胞周期、細(xì)胞存活率、細(xì)胞凋亡率等，并與培養(yǎng)在2D中的細(xì)胞的生長動力學(xué)相比。

圖1 3D仿生模型中的癌細(xì)胞生長動力學(xué)

結(jié)果顯示，3D支架中的癌細(xì)胞顯示出比單層培養(yǎng)的細(xì)胞更慢的增殖速率，并且細(xì)胞數(shù)量隨著培養(yǎng)時(shí)間的推移而恒定。而單層培養(yǎng)的細(xì)胞顯示出典型的指數(shù)增長。隨著培養(yǎng)時(shí)間的推移，支架中活細(xì)胞的百分比顯著下降，這與其凋亡率上升相對應(yīng)。

研究人員還研究了氧氣濃度（分別將樣品培養(yǎng)在含有21% O2或1% O2的細(xì)胞培養(yǎng)箱中）對3D膠原支架中生長的不同類型的細(xì)胞遷移的影響。

圖2 MDA-MB-231細(xì)胞隨時(shí)間推移會向3D支架的邊緣遷移(黃色熒光為染色的細(xì)胞，紅色熒光是膠原蛋白支架的自發(fā)熒光)

結(jié)果表明，在21%O2中培養(yǎng)時(shí)，MDA-MB-231細(xì)胞隨著培養(yǎng)時(shí)間的推移遷移到3D支架的外圍區(qū)域。在實(shí)驗(yàn)性常氧條件下，MDA-MB-231的遷移是由低氧核心和氧充分的邊緣部位之間的氧氣梯度促進(jìn)的，支架邊緣的細(xì)胞百分比從第1天的20％增加到第7天的70％，相反，對于MCF-7細(xì)胞，在第1天和第7天之間，核心區(qū)域和邊緣區(qū)域中的細(xì)胞分布相似，這些發(fā)現(xiàn)表明，在21% O2的培養(yǎng)環(huán)境中，由支架本身的三維介質(zhì)引起的氧氣梯度可以促進(jìn)部分類型的細(xì)胞遷移到支架的邊緣，而這種遷移的特性在1% O2的培養(yǎng)環(huán)境中消失了。同時(shí)這種遷移特性與細(xì)胞的類型有關(guān)，某些細(xì)胞如MCF-7細(xì)胞則不具有。

參考文獻(xiàn)：
Liverani, C., et al., A biomimetic 3D model of hypoxia-driven cancer progression. Scientific Reports, 2019. 9(1).