3D腫瘤建模的革命性技術(shù)

來源： EngineeringForLife

目前，3D 體外腫瘤模型逐漸成為研究熱點，可在腫瘤微環(huán)境中模擬組織特征和細胞間相互作用。水凝膠是一種交聯(lián)成 3D 結(jié)構(gòu)的親水性聚合物網(wǎng)絡，由于其吸水、膨脹、促進細胞生長和細胞間相互作用的能力而成為焦點。甲基丙烯�；�明膠 (GelMA) 水凝膠因其機械調(diào)節(jié)能力和出色的生物相容性而引起了極大興趣。

本期EFL圍繞2024年5月16日發(fā)表于《Materials Today Chemistry》雜志的綜述“GelMA hydrogel: A game-changer in 3D tumor modeling”展開討論。該文章主要關(guān)注利用 GelMA 水凝膠構(gòu)建 3D 腫瘤模型方法的最新進展，此外，還對 GelMA 水凝膠未來發(fā)展方向提供了見解。      

腫瘤是威脅人類生命健康的重要疾病之一。目前，常用的腫瘤治療方法主要包括手術(shù)、化療、放療和靶向治療，但隨著治療時間的延長，腫瘤容易產(chǎn)生耐藥性，易復發(fā)，給臨床治療帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開發(fā)一種能夠準確復制腫瘤微環(huán)境（TME）、研究腫瘤發(fā)展的潛在機制并促進藥物篩選的3D體外腫瘤模型�；罴毎�打印或3D生物打印是一種新興技術(shù)，為組織工程和再生帶來了革命性的發(fā)展，而3D 生物打印的一個基本關(guān)注點是能夠使用生物墨水持續(xù)生成可復制的 3D 支架。GelMA 水凝膠含水量高、結(jié)構(gòu)多孔，類似于 ECM，可在細胞活動中發(fā)揮重要作用，在 3D 生物打印中得到了廣泛的應用。      

GelMA水凝膠在3D腫瘤直接構(gòu)建中的應用
將腫瘤細胞封裝在GelMA水凝膠中可以直接構(gòu)建3D腫瘤模型，以探索腫瘤發(fā)展機制。近年來體外肝癌模型和肝芯片已成為動物模型的焦點和潛在替代品，有學者利用高通量微孔技術(shù)形成肝球體，以研究肝細胞活力（圖1A），將HepG2 / C3A細胞封裝在光交聯(lián)GelMA水凝膠中，利用生物打印快速構(gòu)建了大量的肝臟模型，可以精確調(diào)節(jié)包裹肝細胞的水凝膠外層厚度，并有助于進行長期的毒性評估（圖 1B）。   

圖1 體外肝癌模型

還有學者利用 GelMA/Matrigel 作為 ECM 支架，并裝載了 MG-63 骨肉瘤細胞，通過液體浸潤技術(shù)，實現(xiàn)了致密骨肉瘤細胞聚集體的制造（圖 2A-B）。將 GelMA、甲基丙烯酰化透明質(zhì)酸 (HAMA) 和細胞混合在一起獲得前體溶液，將前體溶液注入模具中，使用紫外線對前體溶液進行光交聯(lián)以獲得載細胞的組織（圖 2C-D）。此外，Peela 等人采用一種特殊的兩步光刻技術(shù)，結(jié)合 GelMA 水凝膠，構(gòu)建了乳腺 TME 模型。  

圖2 體外骨肉瘤模型  

基于3D生物打印GelMA的腫瘤支架
作為一種新興的增材制造技術(shù)，3D 生物打印技術(shù)是構(gòu)建腫瘤模型的有力工具。GelMA 水凝膠表現(xiàn)出的顯著生物活性特性使其成為適合用于 3D 生物打印的生物墨水，有助于更準確地復制和模擬腫瘤模型。Huang 等人通過基于噴射的打印制造了3D 胰腺導管腺癌 (PDAC) 微組織，將人胰腺癌細胞系（BxPC-3）和正常人真皮成纖維細胞封裝在 GelMA溶液中進行打�。▓D 3A），檢測吉西他濱溶液的耐藥性（圖 3B），結(jié)果表明，共培養(yǎng)的腫瘤微組織比單一模型表現(xiàn)出更好的耐藥性。Zhang等人設計了一種基于GelMA 水凝膠的 PDAC 腫瘤模型（圖3C），發(fā)現(xiàn)該模型適用于體內(nèi)研究，無明顯毒性，高基質(zhì)剛度可顯著促進PDAC進展和免疫抑制（圖3D）。Heinrich等人開發(fā)了一種新型膠質(zhì)母細胞瘤模型，以通過3D生物打印探索細胞與細胞之間的相互作用（圖3E）。   

圖3 PDAC 模型和膠質(zhì)母細胞瘤模型

GelMA基水凝膠在高通量腫瘤藥物篩選中的應用

GelMA水凝膠性能穩(wěn)定，成型方法靈活，可以精確構(gòu)建腫瘤模型，利用GelMA構(gòu)建3D腫瘤模型，可以復制ECM的物理和化學性質(zhì)以及外層細胞對藥物分子擴散的屏障作用。因此，基于GelMA的腫瘤模型經(jīng)常用于高通量藥物篩選領域，以確保藥物評估結(jié)果的可靠性。Antunes等人制作了一種新型轉(zhuǎn)移性前列腺癌3D模型，模擬前列腺癌骨轉(zhuǎn)移細胞異質(zhì)性和ECM微環(huán)境，以進行化療藥物的細胞毒性篩選（圖 4A-B）。還有研究利用微成型技術(shù)將具有不同交聯(lián)度的 GelMA 水凝膠制備成具有可調(diào)硬度的載基質(zhì)細胞微孔陣列，強調(diào)了基質(zhì)-癌癥相互作用與 ECM 硬度之間的顯著相關(guān)性（圖4C）。Wu 等人報道了一種集成工程系統(tǒng)，用于生成血管支持腫瘤以進行臨床前藥物篩選。結(jié)果表明，血管相關(guān)的TME在藥物篩選實驗中具有顯著的耐藥性。   

圖4 體外腫瘤模型用于藥物篩選

改性 GelMA 基水凝膠在腫瘤構(gòu)建和治療中的應用
GelMA 具有可注射性、出色的生物相容性以及與生物 3D 打印的兼容性，被視為多功能水凝膠開發(fā)中的關(guān)鍵基礎材料。然而，單一、未功能化的聚合物很難充分滿足復雜體外構(gòu)建體的多方面需求。因此，對GelMA進行改性對于拓寬其在生物醫(yī)學或組織工程領域的應用至關(guān)重要。Zhang等人提出了一種用于腫瘤化學、光熱和光動力治療的新型水凝膠微粒，通過微流控技術(shù)，將吲哚菁綠（ICG）封裝在GelMA水凝膠中（圖5A），經(jīng)近紅外光照射治療后，有效抑制腫瘤生長（圖5B）。Bova等人利用Pluronic F-127（PLU）對水凝膠進行改性，增加內(nèi)部孔隙率，有利于細胞的三維生長，保持了細胞較高的活力（圖 5C）。Yi 等將聚環(huán)氧乙烷水溶液與 GelMA 混合，制備了多級微孔載細胞水凝膠結(jié)構(gòu)，該方法生產(chǎn)的生物墨水具有廣泛的多功能性，可用于擠壓打印和數(shù)字激光打�。▓D5D）。  

圖5 改性 GelMA 基水凝膠的應用

總之，GelMA水凝膠因其優(yōu)異的生物相容性、力學性能和光固化性而被廣泛應用于組織工程領域。未來，有待進一步探索新技術(shù)來優(yōu)化水凝膠的仿生性能，可更真實地模擬腫瘤的狀態(tài)，簡化成型工藝，構(gòu)建結(jié)構(gòu)復雜的GelMA水凝膠平臺，從而闡明腫瘤內(nèi)部細胞行為及其機制。此外，GelMA水凝膠還可以與多種納米材料結(jié)合，形成共價-非共價雜化平臺，克服機械剛度低、熱穩(wěn)定性低、降解速度過快的局限性，拓展其在腫瘤研究、組織工程等領域的應用。   

文章來源：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 24002179?via%3Dihub