《Nature》实现复杂肿瘤模型3D打印，使癌症治疗更快、更便宜、更少痛苦

一个由跨学科研究人员组成的国际团队成功地创造了一种更好的复杂癌症3D建模方法。来自滑铁卢大学的研究小组将尖端生物打印技术与合成结构或微流控芯片相结合。该方法将帮助实验室研究人员更准确地了解异质性肿瘤:肿瘤中有不止一种癌细胞，通常以不可预测的模式分散。

传统上，医生会对病人的肿瘤进行活检，提取细胞，然后在实验室的平板培养皿中培养它们。“50年来，这是生物学家理解肿瘤的方式，”应用数学博士后研究员、该研究的主要作者Nafiseh Moghimi说。“但十年前，人体试验中反复出现的治疗失败让科学家们意识到，2D模型并不能捕捉到体内真实的肿瘤结构。”该团队的研究通过创建一个3D模型来解决这个问题，该模型不仅反映了肿瘤的复杂性，而且还模拟了肿瘤周围的环境。

摘要

肿瘤治疗耐药性是由肿瘤内多种细胞类型和异质性所导致。肿瘤细胞间及细胞与微环境的相互作用在肿瘤进展与侵袭过程中发挥重要作用，对于诊断和化疗耐药性具有重要影响。本研究开发了由共培养细胞构成的3D生物打印体外乳腺癌肿瘤微环境模型，这些细胞分布在水凝胶基质中，具有受控的架构以模拟肿瘤异质性。我们假设肿瘤可以通过癌细胞负载的共培养水凝胶结构来代表，而其微环境可以通过能够在其产生化学梯度的微流体芯片来模拟。乳腺癌细胞(MCF7和MDA-MB-231)和非肿瘤性乳腺上皮细胞(MCF10A)被嵌入到藻酸盐-明胶水凝胶中，并使用多墨盒挤压生物打印技术进行打印。这种方法允许精确控制共培养系统中细胞的位置和排列，从而实现各种肿瘤结构的的设计。我们制备了两种不同类型细胞处于特定初始位置的样品，其中每种细胞的密度都受到严格控制。这些细胞要么随机混合，要么按顺序排列成不同的层以创造出细胞异质性。为了研究细胞向化学吸引物的迁移，我们在具有逐渐化学梯度的室中创建了化学微环境。为了验证这一概念，我们使用此装置研究了MDA-MB-231细胞在不同比例的MCF10A细胞存在下向上皮生长因子梯度的不同迁移模式。我们的方法综合运用了3D生物打印和微流体设备来创建代表不同患者中发现的肿瘤的各种结构，这为研究癌细胞的行为提供了具有高空间和时间分辨率的优秀工具。

这项研究是在数学医学实验室进行的，由应用数学教授Mohammad Kohandel监督，汇集了几个学科的进步。“我们正在创造一些在加拿大非常非常新的东西。也许只有几个实验室在做类似的研究，”Moghimi说。Moghimi和她的团队对创建复杂的乳腺癌模型特别感兴趣。继皮肤癌之后，乳腺癌是女性中最常见的癌症。

首先，该团队制造了聚合物“微流控芯片”:一种蚀刻有通道的微小结构，可以模拟病人肿瘤周围的血液流动和其他液体。接下来，该团队培养了多种类型的癌细胞，并将这些细胞培养物悬浮在他们自己定制的生物墨水中:一种由明胶、海藻酸盐和其他营养物质组成的鸡尾酒，旨在保持细胞培养物的活力。最后，他们使用挤压生物打印机——一种类似于3D打印机的设备，但用于打印有机材料——将不同类型的癌细胞分层到制备好的微流控芯片上。其结果是一个复杂癌症的活的三维模型，科学家可以用它来测试不同的治疗模式，比如各种化疗药物。

乳腺癌的治疗尤其具有挑战性，因为它在转移时表现为包含多种类型细胞的复杂肿瘤。依靠一次或两次活检的细胞来准确地代表整个肿瘤可能会导致无效的治疗计划和不良的结果。3D打印的肿瘤模型证明了新技术如何为晚期乳腺癌等严重疾病提供更快、更便宜、更少痛苦的治疗。

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