利用3D生物打印技術(shù)腫瘤芯片可檢測(cè)放療化療反應(yīng)

近日，Nature子刊Nature Biomedical Engineering雜志在線發(fā)表了來(lái)自韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的Dong-Woo Cho教授以及首爾國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院Sun Ha Paek教授的關(guān)于建立患者特性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤芯片的工作。利用3D生物打印技術(shù)，將由患者來(lái)源的腫瘤細(xì)胞，血管內(nèi)皮細(xì)胞和豬源腦組織細(xì)胞外基質(zhì)打印形成癌—基質(zhì)同心環(huán)性結(jié)構(gòu)用以重建膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的體內(nèi)結(jié)構(gòu)，生物化學(xué)和生物物理特性以及徑向氧梯度，用于在體外觀察患者細(xì)胞對(duì)放療化療的反應(yīng)。

背景介紹

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是最常見(jiàn)的腦癌，約占所有惡性原發(fā)性腦腫瘤的50%。在腫瘤個(gè)體化治療中，使用患者自身腫瘤細(xì)胞建立患者特異性癌癥模型能夠有效的篩選并確定對(duì)病人最合適的治療方案，是未來(lái)腫瘤治療的重要發(fā)展方向。雖然建立患者來(lái)源的腫瘤移植瘤動(dòng)物模型能夠在一定程度上再現(xiàn)親本腫瘤的特征，但這種方法也存在建模時(shí)間長(zhǎng)，成功率低，成本高的缺點(diǎn)和倫理道德問(wèn)題。近年來(lái)，腫瘤芯片的研究與開(kāi)發(fā)有希望克服動(dòng)物模型的這些不足。腫瘤芯片上是一種基于微流體的3D系統(tǒng)，用以在體外重現(xiàn)腫瘤組織的病理學(xué)特征以及細(xì)胞的生物活性，機(jī)械特性和生理反應(yīng)。

設(shè)計(jì)理念

利用3D生物打印技術(shù)，將由患者來(lái)源的腫瘤細(xì)胞，血管內(nèi)皮細(xì)胞和豬源腦組織細(xì)胞外基質(zhì)打印形成癌—基質(zhì)同心環(huán)性結(jié)構(gòu)用以重建膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的體內(nèi)結(jié)構(gòu)，生物化學(xué)和生物物理特性以及徑向氧梯度 （圖1）。

圖1：利用3D打印技術(shù)建立患者特異性膠質(zhì)母瘤芯片示意圖

研究亮點(diǎn)

1.使用豬源腦組織細(xì)胞外基質(zhì)作為“生物墨水”

相較于膠原凝膠，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞在豬源腦組織細(xì)胞外基質(zhì)形成的凝膠中展現(xiàn)出了較高的細(xì)胞增殖速度，細(xì)胞侵襲效率。此外，腦組織細(xì)胞外基質(zhì)也有效促進(jìn)了內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成 （圖2）。

圖2：膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞增殖和侵襲以及內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成

2.重建膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的病理特征

膠質(zhì)母瘤芯片模型重建了原始膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境的三個(gè)關(guān)鍵特性：細(xì)胞與胞外基質(zhì)相互作用的微環(huán)境，血管基質(zhì)包圍腫瘤組織的區(qū)域化結(jié)構(gòu)以及腫瘤組織內(nèi)的氧梯度 （圖3）。

圖3：腫瘤芯片的構(gòu)造，內(nèi)部血管基質(zhì)包圍腫瘤組織的區(qū)域化結(jié)構(gòu)以及腫瘤組織氧梯度。

3.再現(xiàn)臨床觀察到的患者對(duì)放療和替莫羅米治療的抗性

從高抗藥性，低存活率患者分離出的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞在腫瘤芯片中展現(xiàn)出了類(lèi)似的放化療抗性和高的細(xì)胞存活率（圖4）。

圖4，從患者分離出膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞在腫瘤芯片中的存活率。X組患者：低或中等放化療抗性，大于2年存活時(shí)間；Y組患者：高放化療抗性，小于1年存活時(shí)間；Z組患者：化療后腫瘤發(fā)生嚴(yán)重病變。