Trends Biotechnol|清華大學(xué)孫偉教授團隊和中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院劉純教授團隊在空...

腫瘤微環(huán)境中細胞、細胞外基質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性是導(dǎo)致藥物治療獲益率低的主要原因。目前腫瘤耐藥相關(guān)研究的瓶頸在于缺乏仿生腫瘤微環(huán)境的體外模型，盡管二維細胞培養(yǎng)和動物模型在癌癥研究中應(yīng)用廣泛，但它們無法再現(xiàn)真實腫瘤的異質(zhì)性特征。生物三維打印腫瘤模型通過整合腫瘤細胞、間質(zhì)細胞和仿生腫瘤細胞外基質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)腫瘤微環(huán)境特征的體外重構(gòu)，但仍無法模擬腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜異質(zhì)性，例如生物學(xué)特征和生物物理特征的空間異質(zhì)性。因此，利用工程學(xué)及腫瘤生物學(xué)原理體外仿生模擬腫瘤異質(zhì)性微環(huán)境，對于深入探究復(fù)雜的細胞相互作用和闡明微環(huán)境介導(dǎo)的耐藥機制至關(guān)重要。

2024年8月7日，清華大學(xué)清華-伯克利深圳學(xué)院孫偉教授團隊與中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院精準醫(yī)學(xué)研究院劉純教授團隊合作，采用擠出式多噴頭生物三維打印技術(shù)（使用上普博源生物三維打印機 SunP BioMaker 2)，將乳腺癌細胞、內(nèi)皮細胞、人乳腺癌相關(guān)成纖維細胞和仿生細胞外基質(zhì)通過調(diào)控空間排布方式，首次構(gòu)建了具有空間異質(zhì)性的乳腺癌模型。該模型高度模擬了乳腺癌微環(huán)境的關(guān)鍵生理特征，包括三維血管網(wǎng)絡(luò)和機械剛度的生物物理異質(zhì)性，驗證了與腫瘤血管生成和細胞外基質(zhì)重塑相關(guān)的細胞相互作用，論證了微環(huán)境的空間異質(zhì)性對乳腺癌細胞耐藥性的影響。利用這一平臺將促進腫瘤微環(huán)境中細胞間和腫瘤-基質(zhì)相互作用的機制研究，以及靶向腫瘤微環(huán)境的抗癌新療法的開發(fā)。

在該項工作中，團隊構(gòu)建的打印模型重現(xiàn)了人乳腺癌樣本中大小不同的癌細胞密集區(qū)域和富含微血管的間質(zhì)區(qū)域的空間分布特點。進一步，團隊發(fā)現(xiàn)經(jīng)過體外培養(yǎng)后的打印模型中血管生成和細胞外基質(zhì)硬化發(fā)生在間質(zhì)區(qū)域而非癌細胞密集區(qū)域，成功模擬了患者樣本中的病理特征。生物打印模型實現(xiàn)了生物和生物物理因素的整合，為研究腫瘤微環(huán)境內(nèi)細胞組分和機械力學(xué)不同分區(qū)中潛在的分子特征和配受體互作提供了高效研究平臺。轉(zhuǎn)錄組分析揭示了在間質(zhì)區(qū)域而非癌細胞密集區(qū)域，血管生成和細胞外基質(zhì)重塑的相關(guān)基因表達上調(diào)，并確定了調(diào)控這些過程的潛在配受體互作。最后，團隊發(fā)現(xiàn)加入藥物后的打印模型中間質(zhì)區(qū)域的癌細胞表現(xiàn)出更強的化療藥物抵抗性，從而揭示了異質(zhì)性微環(huán)境介導(dǎo)的腫瘤耐藥。

通過對原發(fā)性人類乳腺腫瘤的IHC圖像分析和基于擠壓的多噴嘴3D生物打印技術(shù)，設(shè)計生物打印乳腺癌模型，實現(xiàn)重建原發(fā)性腫瘤的空間細胞排列，開發(fā)具有腫瘤內(nèi)結(jié)構(gòu)代表性的體外血管化乳腺癌模型。通過用仿生生物墨水對乳腺癌細胞、血管內(nèi)皮細胞和HMCAFs進行精確建模，成功重建了一個包含多種TME因素的具有空間異質(zhì)性的腫瘤模型，包括細胞類型的空間組織、生物力學(xué)和細胞-分子多樣性。

基于生物3D打印技術(shù)，該異質(zhì)性腫瘤模型也顯示出結(jié)構(gòu)異常和空間異質(zhì)性的微血管，在間質(zhì)中發(fā)現(xiàn)CD31+分支血管，這與人類腫瘤切除中觀察到的血管一致。該生物打印模型還顯示了一個非均勻的生物物理環(huán)境，即CCR區(qū)域低剛度，SR區(qū)域發(fā)生膠原沉積導(dǎo)致剛度增加?；谏锎蛴ME模型中整合生物和生物物理線索，為研究潛在的分子特征存在于腫瘤環(huán)境中空間上不同的細胞和機械區(qū)域提供了一個獨特的機會。

基于生物打印模型，鑒定了可能與生長因子、細胞因子和ECM相關(guān)的受體-配體存在，以推斷EC和CAF之間的細胞間串?dāng)_在腫瘤血管生成和ECM重構(gòu)中的作用。網(wǎng)絡(luò)分析顯示，在SR區(qū)衍生的ECs和CAFs中，一些重要的受體配體對表達上調(diào)，包括PTNSDC、HGF-MET和COL1A1-ITGB。其中一些基因?qū)ο惹霸粓蟮琅c癌癥生物學(xué)有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)表明，在模式模型中，空間變化可能通過雙向信號通路協(xié)同或單獨調(diào)節(jié)腫瘤血管生成和ECM重構(gòu)。

通過檢測patterned模型和unpatterned模型中的藥物敏感性差異，發(fā)現(xiàn)在patterned模型中的MDA-MB-231癌細胞比unpatterned模型中的癌細胞對阿霉素的耐藥性更強。在patterned模型中也發(fā)現(xiàn)藥物敏感性方面表現(xiàn)出區(qū)域差異，SR區(qū)域來源的MDA-MB-231癌細胞比來自CCR區(qū)域的癌細胞表現(xiàn)出增強的化療耐藥表型。GSEA富集分析結(jié)果顯示在SR區(qū)培養(yǎng)的MDA-MB-231癌細胞中，當(dāng)剛度增加時，OXPHOS通路的上調(diào)。而OXPHOS的增加促進了癌癥干細胞的維持，并對化療產(chǎn)生耐藥性。因此，該異質(zhì)性腫瘤模型為進一步研究OXPHOS代謝和癌癥耐藥機制提供了強有力的平臺。

綜上所述，該研究構(gòu)建了一種基于生物3D打印的空間異質(zhì)腫瘤模型，為研究腫瘤微環(huán)境調(diào)控腫瘤發(fā)生發(fā)展機理提供了新的系統(tǒng)性工具，還可以為腫瘤耐藥性研究提供可靠的治療靶點及藥物篩選平臺。

圖注：生物打印的、空間定義的具有瘤內(nèi)異質(zhì)性和耐藥性的乳腺腫瘤微環(huán)境模型。

相關(guān)研究成果以“生物打印的、空間定義的具有瘤內(nèi)異質(zhì)性和耐藥性的乳腺腫瘤微環(huán)境模型”(Bioprinted, spatially defined breast tumor microenvironment models of intratumoral heterogeneity and drug resistance)為題發(fā)表在《生物技術(shù)趨勢》（Trends in Biotechnology）上。本文通訊作者為清華大學(xué)清華-伯克利深圳學(xué)院孫偉教授、中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院劉純教授、清華大學(xué)深圳國際研究生院彌勝利教授、和密歇根醫(yī)學(xué)院Gary D. Luker教授。第一作者為清華大學(xué)清華-伯克利深圳學(xué)院2018級博士生袁天瑩、中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院2022級碩士生傅錫洪。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.06.007