3D打印构建“精密”肿瘤转移模型

对于肿瘤细胞，3D培养方法在表型和基因型方面能让细胞更接近体内的行为。然而，肿瘤微环境何其复杂，虽然有研究人员将肿瘤细胞与其他细胞如成纤维细胞共培养，也有人建立了血管化模型，但还是有些“单薄”无法精确模拟肿瘤的转移环境。近日，来自美国明尼苏达大学的研究人员利用3D生物打印技术，构建了一种新型的“精密”的3D体外肿瘤模型。可以精确放置活细胞（肿瘤细胞，基质细胞和血管细胞）构建功能性的脉管系统，同时可以放置信号分子并控制其释放来引导肿瘤细胞转移。重要的是，将肿瘤靶向药物导入血管可以进行药物筛选。这个模型几乎完美地动态重现了癌症转移的几个关键步骤包括侵袭、血管内渗和血管生成，对于肿瘤的研究和新型抗癌药物的筛选具有重大意义。研究结果发表于《Advanced Materials》（IF=21.950）。

该模型有四大模块，可以精确模拟肿瘤转移环境：（1）肿瘤基质。选择水凝胶作为支架，水凝胶中含有成纤维细胞，用来构成肿瘤基质。（2）化学环境。3D打印的微胶囊包含趋化通路分子，如VEGF和EGF，在外界刺激下（胶囊外壳响应近红外激光）可动态释放这些化学信号，用来模拟肿瘤组织中的化学环境并指引细胞迁移。（3）血管系统。将人脐静脉内皮细胞（HUVECs）注入微通道进行内皮化，作为血管导管，以便肿瘤细胞穿过内皮屏障到达血管，产生循环肿瘤细胞（CTCs）。（4）肿瘤细胞。将肿瘤细胞簇置入打印的液滴隔室，模拟肿瘤的原发部位。

▲3D打印的体外肿瘤模型，模拟肿瘤细胞的转移。3D打印的可编程胶囊梯度释放EGF和VEGF，介导肿瘤细胞对肿瘤基质的侵袭和血管内渗入。EGF：表皮生长因子; VEGF：血管内皮生长因子; EGFR：EGF受体；VEGFR：VEGF受体。

▲胶囊释放的EGF可用于引导肿瘤细胞迁移。大多数肿瘤细胞（A549肺癌细胞）仅在EGF胶囊区域中发现并且随着更多胶囊破裂而增加。

▲VEGF胶囊诱导主血管出芽，A549细胞进入脉管系统。

渗透到血管中的肿瘤细胞作为CTCs在血管流动，并且可以在独立的腔室内被收集。可以对富集的CTCs进行特异性分析。

▲在富集的A549肺癌细胞中，波形蛋白和N-钙粘蛋白上调。

      该3D生物打印肿瘤模型可作为药物筛选的临床前工具。通过血管引入两种免疫毒素药物EGF4KDEL和CD22KDEL。EGF4KDEL由EGF和截短的假单胞菌外毒素组成，靶向EGFR过表达的A549肿瘤细胞。与无药物治疗组相比，肿瘤细胞的增殖显著减少，并且未观察到引导入侵和迁移。由于A549不表达CD22，它们不受CD22KDEL的影响，表现出快速增殖和引导入侵。

▲利用该模型进行药物筛选

      尽管这种模型并不能完全概括体内肿瘤微环境的复杂性，但其极大化地缩短了传统2D单层细胞培养和动物模型之间的差距。同时推进了3D组织工程研究。该研究团队的下一步计划是加入更多的细胞类型，特别是免疫系统细胞，并研究这些细胞之间的相互作用。