《Nature》實現(xiàn)復(fù)雜腫瘤模型3D打印，使癌癥治療更快、更便宜、更少痛苦

來源：生物通

來自滑鐵盧大學(xué)的研究小組將尖端生物打印技術(shù)與合成結(jié)構(gòu)或微流控芯片相結(jié)合。該方法將幫助實驗室研究人員更準確地了解異質(zhì)性腫瘤:腫瘤中有不止一種癌細胞，通常以不可預(yù)測的模式分散。

一個由跨學(xué)科研究人員組成的國際團隊成功地創(chuàng)造了一種更好的復(fù)雜癌癥3D建模方法。來自滑鐵盧大學(xué)的研究小組將尖端生物打印技術(shù)與合成結(jié)構(gòu)或微流控芯片相結(jié)合。該方法將幫助實驗室研究人員更準確地了解異質(zhì)性腫瘤:腫瘤中有不止一種癌細胞，通常以不可預(yù)測的模式分散。

傳統(tǒng)上，醫(yī)生會對病人的腫瘤進行活檢，提取細胞，然后在實驗室的平板培養(yǎng)皿中培養(yǎng)它們�！�50年來，這是生物學(xué)家理解腫瘤的方式，”應(yīng)用數(shù)學(xué)博士后研究員、該研究的主要作者Nafiseh Moghimi說�！暗�十年前，人體試驗中反復(fù)出現(xiàn)的治療失敗讓科學(xué)家們意識到，2D模型并不能捕捉到體內(nèi)真實的腫瘤結(jié)構(gòu)�！痹搱F隊的研究通過創(chuàng)建一個3D模型來解決這個問題，該模型不僅反映了腫瘤的復(fù)雜性，而且還模擬了腫瘤周圍的環(huán)境。

腫瘤治療耐藥性是由腫瘤內(nèi)多種細胞類型和異質(zhì)性所導(dǎo)致。腫瘤細胞間及細胞與微環(huán)境的相互作用在腫瘤進展與侵襲過程中發(fā)揮重要作用，對于診斷和化療耐藥性具有重要影響。本研究開發(fā)了由共培養(yǎng)細胞構(gòu)成的3D生物打印體外乳腺癌腫瘤微環(huán)境模型，這些細胞分布在水凝膠基質(zhì)中，具有受控的架構(gòu)以模擬腫瘤異質(zhì)性。我們假設(shè)腫瘤可以通過癌細胞負載的共培養(yǎng)水凝膠結(jié)構(gòu)來代表，而其微環(huán)境可以通過能夠在其產(chǎn)生化學(xué)梯度的微流體芯片來模擬。乳腺癌細胞(MCF7和MDA-MB-231)和非腫瘤性乳腺上皮細胞(MCF10A)被嵌入到藻酸鹽-明膠水凝膠中，并使用多墨盒擠壓生物打印技術(shù)進行打印。這種方法允許精確控制共培養(yǎng)系統(tǒng)中細胞的位置和排列，從而實現(xiàn)各種腫瘤結(jié)構(gòu)的的設(shè)計。我們制備了兩種不同類型細胞處于特定初始位置的樣品，其中每種細胞的密度都受到嚴格控制。這些細胞要么隨機混合，要么按順序排列成不同的層以創(chuàng)造出細胞異質(zhì)性。為了研究細胞向化學(xué)吸引物的遷移，我們在具有逐漸化學(xué)梯度的室中創(chuàng)建了化學(xué)微環(huán)境。為了驗證這一概念，我們使用此裝置研究了MDA-MB-231細胞在不同比例的MCF10A細胞存在下向上皮生長因子梯度的不同遷移模式。我們的方法綜合運用了3D生物打印和微流體設(shè)備來創(chuàng)建代表不同患者中發(fā)現(xiàn)的腫瘤的各種結(jié)構(gòu)，這為研究癌細胞的行為提供了具有高空間和時間分辨率的優(yōu)秀工具。

這項研究是在數(shù)學(xué)醫(yī)學(xué)實驗室進行的，由應(yīng)用數(shù)學(xué)教授Mohammad Kohandel監(jiān)督，匯集了幾個學(xué)科的進步。“我們正在創(chuàng)造一些在加拿大非常非常新的東西。也許只有幾個實驗室在做類似的研究，”Moghimi說。Moghimi和她的團隊對創(chuàng)建復(fù)雜的乳腺癌模型特別感興趣。繼皮膚癌之后，乳腺癌是女性中最常見的癌癥。

首先，該團隊制造了聚合物“微流控芯片”:一種蝕刻有通道的微小結(jié)構(gòu)，可以模擬病人腫瘤周圍的血液流動和其他液體。接下來，該團隊培養(yǎng)了多種類型的癌細胞，并將這些細胞培養(yǎng)物懸浮在他們自己定制的生物墨水中:一種由明膠、海藻酸鹽和其他營養(yǎng)物質(zhì)組成的雞尾酒，旨在保持細胞培養(yǎng)物的活力。最后，他們使用擠壓生物打印機——一種類似于3D打印機的設(shè)備，但用于打印有機材料——將不同類型的癌細胞分層到制備好的微流控芯片上。其結(jié)果是一個復(fù)雜癌癥的活的三維模型，科學(xué)家可以用它來測試不同的治療模式，比如各種化療藥物。

乳腺癌的治療尤其具有挑戰(zhàn)性，因為它在轉(zhuǎn)移時表現(xiàn)為包含多種類型細胞的復(fù)雜腫瘤。依靠一次或兩次活檢的細胞來準確地代表整個腫瘤可能會導(dǎo)致無效的治療計劃和不良的結(jié)果。3D打印的腫瘤模型證明了新技術(shù)如何為晚期乳腺癌等嚴重疾病提供更快、更便宜、更少痛苦的治療。

參考文獻
Controlled tumour heterogeneity in a co-culture system by 3D bio-printed tumor-on-chip model