利用3D生物打印技术肿瘤芯片可检测放疗化疗反应

近日，Nature子刊Nature Biomedical Engineering杂志在线发表了来自韩国浦项科技大学机械工程学院的Dong-Woo Cho教授以及首尔国立大学医学院Sun Ha Paek教授的关于建立患者特性胶质母细胞瘤芯片的工作。利用3D生物打印技术，将由患者来源的肿瘤细胞，血管内皮细胞和猪源脑组织细胞外基质打印形成癌—基质同心环性结构用以重建胶质母细胞瘤的体内结构，生物化学和生物物理特性以及径向氧梯度，用于在体外观察患者细胞对放疗化疗的反应。

背景介绍

胶质母细胞瘤是最常见的脑癌，约占所有恶性原发性脑肿瘤的50%。在肿瘤个体化治疗中，使用患者自身肿瘤细胞建立患者特异性癌症模型能够有效的筛选并确定对病人最合适的治疗方案，是未来肿瘤治疗的重要发展方向。虽然建立患者来源的肿瘤移植瘤动物模型能够在一定程度上再现亲本肿瘤的特征，但这种方法也存在建模时间长，成功率低，成本高的缺点和伦理道德问题。近年来，肿瘤芯片的研究与开发有希望克服动物模型的这些不足。肿瘤芯片上是一种基于微流体的3D系统，用以在体外重现肿瘤组织的病理学特征以及细胞的生物活性，机械特性和生理反应。

设计理念

利用3D生物打印技术，将由患者来源的肿瘤细胞，血管内皮细胞和猪源脑组织细胞外基质打印形成癌—基质同心环性结构用以重建胶质母细胞瘤的体内结构，生物化学和生物物理特性以及径向氧梯度 （图1）。

图1：利用3D打印技术建立患者特异性胶质母瘤芯片示意图

研究亮点

1.使用猪源脑组织细胞外基质作为“生物墨水”

相较于胶原凝胶，胶质母细胞瘤细胞在猪源脑组织细胞外基质形成的凝胶中展现出了较高的细胞增殖速度，细胞侵袭效率。此外，脑组织细胞外基质也有效促进了内皮细胞的血管生成 （图2）。

图2：胶质母细胞瘤细胞增殖和侵袭以及内皮细胞的血管生成

2.重建胶质母细胞瘤的病理特征

胶质母瘤芯片模型重建了原始胶质母细胞瘤微环境的三个关键特性：细胞与胞外基质相互作用的微环境，血管基质包围肿瘤组织的区域化结构以及肿瘤组织内的氧梯度 （图3）。

图3：肿瘤芯片的构造，内部血管基质包围肿瘤组织的区域化结构以及肿瘤组织氧梯度。

3.再现临床观察到的患者对放疗和替莫罗米治疗的抗性

从高抗药性，低存活率患者分离出的胶质母细胞瘤细胞在肿瘤芯片中展现出了类似的放化疗抗性和高的细胞存活率（图4）。

图4，从患者分离出胶质母细胞瘤细胞在肿瘤芯片中的存活率。X组患者：低或中等放化疗抗性，大于2年存活时间；Y组患者：高放化疗抗性，小于1年存活时间；Z组患者：化疗后肿瘤发生严重病变。