3D生物打印癌癥模型：從基礎生物學到藥物開發
前言
目前，在開發新藥方面投入的努力往往無法轉化為對癌癥患者有意義的臨床益處。因此，開發更有效的抗癌治療方法并準確預測其臨床價值仍然是迫切的醫療需求。由于實體癌具有由不同細胞類型和細胞外基質組成的復雜和異質結構，三維（3D）癌癥模型在促進我們對癌癥生物學的理解方面具有巨大的潛力。
先進的3D生物打印癌癥模型有可能徹底改變我們發現治療靶點和開發新藥的方式，并以準確、可復制、臨床可轉化和穩健的方式進行個性化抗癌治療。因此，深入了解2D、3D和腫瘤動物模型之間的腫瘤發生差異至關重要，這一新興領域將有助于目前的癌癥研究以及新療法的臨床轉化。
3D生物打印癌癥模型的優勢
理想的3D生物打印癌癥模型可以精確地再現特定腫瘤的體內環境，包括其灌注血管。使得能夠模擬體內環境對腫瘤細胞行為進行多種生化評估。事實上，基因表達分析表明，與2D培養物相比，3D生物打印的癌癥模型可以顯示免疫球蛋白生成、促炎分子表達、細胞因子和／或趨化因子的激活、細胞－細胞粘附途徑的上調以及和DNA復制細胞分裂相關蛋白的減少。這些差異提供了3D環境如何影響癌細胞生長、遷移、侵襲、干細胞和基因表達的見解。
此外，原始腫瘤ECM的彈性、可塑性和機械性能可以通過使用特定的基質材料進行建模。例如，肝源脫細胞ECM和乳腺源脫細胞的ECM具有保留的微結構和超微結構，與基質中結合和隔離的生長因子一起控制細胞位置和定向。通過數字光處理（DLP）技術打印的去細胞化ECM支架能夠實現精確的空間細胞沉積，從而保留了這些組織特異性生長因子。基于DLP的模型也被用于研究胰腺導管腺癌發展的初始階段。
血管在腫瘤增殖、氧擴散、血管生成、血管內和血管外滲中起著至關重要的作用。因此，在仿生腫瘤模型中實現功能性血管網絡對于維持細胞活力和揭示腫瘤與血管之間的密切關系至關重要。通過含有血管系統的3D生物打印癌癥模型可以研究這種動態環境，包括循環癌細胞如何與基質細胞和浸潤的免疫細胞相互作用，不同細胞類型之間分泌因子的交換，對外部刺激的反應，以及癌細胞對轉移的微環境的行為適應。
每種癌癥都有獨特的TME，包括各種健康功能細胞類型，如基質細胞、血管細胞和免疫細胞。然而，非生物打印的3D癌癥模型是通過如水凝膠構建物、聚合物支架、微載體珠和懸滴實現的，不能對組織形成進行時空控制，也不允許長期觀察動態變化。3D生物打印模型可以通過重建整個TME（包括其功能和結構層次）來克服這些限制，從而以高分辨率忠實地模擬復雜的體內腫瘤組織結構，并保持患者衍生組織的活力和功能。
3D生物打印癌癥模型的重要作用
模擬轉移性生態位
癌癥研究中的一個重要挑戰是構建能夠重現自然轉移生態位的體外模型。除了不同轉移位置之間ECM特性的差異外，侵襲癌細胞和轉移龕內TME之間的相互作用在介導轉移級聯中至關重要。
在模擬骨轉移龕的3D生物打印模型中，MDA－MB－231乳腺癌細胞與成骨細胞和人骨髓間充質干細胞（MSC）共培養，以模擬骨TME。在加入癌細胞后的5天內，MSCs和成骨細胞的增殖率降低，表明乳腺癌細胞在腫瘤骨中誘導骨溶解。此外，該模型中的乳腺癌細胞顯示促血管生成因子VEGF分泌增加，堿性磷酸酶活性降低，這些是新骨形成的標志。
模擬腫瘤血管
提高對腫瘤細胞－內皮細胞相互作用的理解可以揭示腫瘤轉移和血管生成的重要機制。通過3D生物打印技術，生成乳腺癌微球體，其包封含有人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）的微纖維。當與乳腺癌細胞共同培養時，HUVEC向纖維外的癌細胞伸長，這些細胞只保留在纖維內，并在纖維內形成血管樣空腔。這一發現顯示了共同培養的3D生物打印癌癥模型在重塑癌細胞和內皮細胞之間的相互作用方面的潛力。
抗腫瘤免疫
將來自TME和外周的免疫細胞帶入3D生物打印模型可以提供一個可復制的平臺來研究人類抗癌免疫反應，從而生成適合于理解腫瘤生物學和藥物測試的腫瘤模型。例如，在由膀胱癌細胞、成纖維細胞、HUVEC和單核細胞組成的3D生物打印模型中，用卡介苗（BCG）治療可導致單核細胞促炎細胞因子的分泌增加，癌細胞生長減少。
目前，已經開發了幾種3D生物打印模型，以快速可靠地評估免疫調節劑和基于細胞的癌癥免疫療法的療效。例如，3D生物打印模型已用于評估神經母細胞瘤的嵌合抗原受體（CAR）T細胞治療。
腦惡性腫瘤在治療上面臨相當大的挑戰，部分原因是其獨特的腦TME促進腫瘤進展。基于DLP的3D生物打印膠質母細胞瘤模型已開發出來，模擬腦TME，包含膠質瘤干細胞、星形膠質細胞、神經前體細胞和巨噬細胞。該模型還能夠分析巨噬細胞表型，并檢測由于癌細胞與TME相互作用而發生的多種轉錄變化。在這個模型中，癌細胞招募的巨噬細胞獲得了促進腫瘤發生的膠質瘤相關表型。
通過結合不同的技術并調整所需的組織樣特性和細胞成分，3D生物打印模型可以作為研究TME和癌癥免疫學的寶貴工具。
3D生物打印癌癥模型的藥物開發應用
3D生物打印使細胞和ECM的組裝能夠形成3D構建體，該構建體重現了癌癥組織的復雜性，并可作為發現新的治療靶點、抗癌藥物的臨床前測試和個性化癌癥治療開發的穩健和可重復的平臺。
藥效評估
3D打印生物癌癥模型已應用于多種藥物的篩選和發現。ECM特性（如密度和組成）影響藥物擴散和腫瘤滲透，一些3D生物打印腫瘤模型考慮了這些因素。在一種迭代的3D生物打印方法中，使用了懸浮在明膠－海藻酸鹽－基質生物材料中的GP－118患者來源的胃腺癌細胞，這種3D生物打印的胃腺癌模型對多西紫杉醇、5－氟尿嘧啶和順鉑具有化療抗性，可用于評估開發藥物的耐藥性。
3D生物打印模型也已被用于評估單克隆抗體的治療效果。例如metuzumab（一種抗CD174抗體，用于治療多種癌癥），研究人員使用熱敏生物材料對由SMMC－7721肝癌細胞和HUVEC組成的微流體進行3D生物打印。與2D培養相比，3D模型中需要更高劑量的metuzumab來抑制癌細胞遷移和增殖。另外，將人外周血單個核細胞納入3D生物打印模型使研究者能夠評估metuzumab誘導的ADCC細胞毒性，這是治療性抗體的一個重要方面。
藥物篩選平臺
除了評估腫瘤對藥物的反應外，3D生物打印平臺還可以幫助高通量篩選化合物和批準用于不同疾病或適應癥的藥物。全外顯子組測序（WES）可以識別患者癌癥樣品的突變譜，并通過將這些突變譜與靶向突變的特定藥物進行關聯來預測藥物敏感性。
靶標發現
將可灌注血管系統添加到多細胞3D生物打印模型中可能會進一步改善藥物篩選平臺。例如，正在開發的一個3D生物打印的微工程膠質母細胞瘤模型，該模型包含了內襯內皮細胞和周細胞的可灌注毛細血管，并連接到周血泵。這種3D模型可以反映出膠質母細胞瘤樣品的異質性，與來自同一細胞的2D培養物相比，這種3D模型中的腫瘤細胞在轉錄上與體內膠質母細胞瘤腫瘤細胞更相似。值得注意的是，這個模型顯示了P－選擇素的上調，而在2D培養基中生長的膠質母細胞瘤細胞不表達P－選擇素，也不受P－選擇蛋白抑制劑的影響，這表明使用3D生物打印癌癥模型可能會發現傳統2D培養無法檢測到的治療靶點。
總之，3D生物打印癌癥模型已被證明比傳統2D培養方法更能反映腫瘤異質性、TME復雜性、癌細胞行為、基因表達特征和藥物反應。這些模型還提供了研究癌癥治療方法參數的平臺，這些參數無法使用傳統2D培養方法或簡單3D模型進行充分研究。
臨床試驗
各種正在進行的臨床試驗正在評估3D癌癥模型在藥物篩選、靶點發現和個性化治療方面的預測能力。例如，一項正在進行的臨床試驗正在評估3D生物打印肝癌模型預測化療對結直腸癌以及結直腸癌肝轉移的反應（NCT04755907）。另一項試驗使用了透明質酸－明膠生物材料的3D生物打印來制作骨髓瘤器官樣模型（NCT03890614），旨在建立患者特異性生物印跡模型，以研究骨髓瘤生物學和化療敏感性。這些臨床研究為使用3D生物打印癌癥模型準確模擬患者腫瘤及其動態微環境并預測治療結果的可行性提供了概念證明。
小結
3D生物打印癌癥模型有可能改變我們研究、診斷、預防和治療癌癥的方式。這些模型的商業化，特別是在藥物開發和測試方面，預計將產生巨大的經濟效益。此外，先進的3D生物打印技術，結合基于機器學習和人工智能的組學方法，可能發現癌癥生物學的基本機制，揭示新的生物標記物和藥物靶點，并推動有效的個性化癌癥治療的發展。
參考文獻：
1．3Dbioprinted cancer models： from basic biology to drug development． Nat RevCancer．2022 Oct 24．
原文標題 : 3D生物打印癌癥模型：從基礎生物學到藥物開發
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