【Science子刊】颠覆！首次3D打印出完整的活体肿瘤，癌症探索迈入“真实“3D时代“

3D生物打印出胶质母细胞瘤模型的显微图像。生物打印的血管覆盖内皮细胞（红色）和周皮细胞（青色）。血管周围是由恶性胶质瘤细胞（蓝色）和大脑微环境细胞（绿色）组成的大脑模拟组织。不同的药物或细胞可以通过3D生物打印出的血管进行灌注，以测试它们对肿瘤组织的影响。

图片来源：DOI: 10.1126/sciadv.abi9119，特拉维夫大学

目前常用于癌症疗法发现、开发和评估的实验是使用2D培养皿中的生长物（癌细胞）而进行的，然后在免疫缺陷的小鼠中进行测试。但这为实验室到临床的转化制造了基本障碍，且只有万分之一的潜在药物能成功进入市场。要更准确预测临床治疗反应，药物发现和筛选平台也需得到巨大提升。近期，以色列科学家对实验平台的研发实现了颠覆，创造出了3D“活“培养模型，这将对不仅在癌症范围内的科学实验研究都带来巨大影响。

特拉维夫大学（Tel Aviv University，TAU）的研究人员用3D打印机打印出了一个完整的活体胶质母细胞瘤（Glioblastoma）。这个打印出的肿瘤包含一个复杂的类似血管的样管系统，血细胞和药物可以灌注其中并流动，实现了对肿瘤的真实模拟。

该研究由Ronit Satchi-Fainaro教授领导，新技术由博士研究生Lena Neufeld，以及 Satchi-Fainaro教授实验室的其他研究人员共同开发。

3D生物打印的模型样本基于直接取自特拉维夫Sourasky医疗中心（Tel Aviv Sourasky Medical Center）手术室的患者样本。这项新的研究成果在昨天，2021年8月18日，发表于《Science Advances》期刊上，研究论文名为“Microengineered perfusable 3D-bioprinted glioblastoma model for in vivo mimicry of tumor microenvironment “。

论文官网截图

在2D中消失的P-Selectin蛋白质

“胶质母细胞瘤是中枢神经系统中最致命的一种癌症，占据大多数脑部恶性肿瘤案例，”Satchi-Fainaro教授说。“在之前的一项研究中，我们发现了一种在胶质母细胞瘤的癌细胞遇到小胶质细胞（microglia，大脑免疫系统的细胞）时而产生的，叫做P-Selectin的蛋白质。我们发现这种蛋白质是小胶质细胞免疫失败的原因，其导致这些小胶质细胞为癌细胞提供支撑而不是进行攻击，帮助了癌症扩散。”

“然而，我们在手术中切除的肿瘤中发现了该蛋白质，却在我们实验室的2D塑料培养皿上生长的胶质母细胞瘤细胞中没有发现。其原因是，癌症和所有组织一样，在塑料培养皿上的表现与在人体上的大有不同。大约90%的实验药物在临床阶段都会失败，因为其在实验室中取得的成功无法在患者身上重现。”

3D生物打印出的胶质母细胞瘤模型的显微图像。

图片来源：DOI: 10.1126/sciadv.abi9119，特拉维夫大学

为了解决这个问题，Satchi-Fainaro教授和博士研究生Lena Neufeld（著名的丹大卫奖学金获得者，Dan David Fellowship）创建了第一个胶质母细胞肿瘤的3D生物打印模型，其中包括被细胞外基质包围的3D癌组织，其细胞外基质通过功能性血管与其微环境沟通。

打印的肿瘤“存活“在系统里

“不仅仅是癌细胞，”Satchi-Fainaro教授解释道。“它也是大脑微环境的细胞，星形胶质细胞（astrocyte）、小胶质细胞（microglia）和血管连接到一个微流体系统，即一个使我们能将例如血细胞和药物等物质输送到这个复制的肿瘤的系统。每个模型都打印在我们实验室设计出的生物反应器里，通过使用从患者的细胞外基质中取样和复制的水凝胶，来模拟组织本身。”

“大脑的物理和机械特性不同于其他器官，如皮肤、乳房、或骨骼。乳房组织主要由脂肪组成，骨骼组织主要是钙；每种组织都有自己的特性，这就会影响癌细胞的行为以及它们对药物的反应。在相同的塑料培养皿表面上生长出所有类型的癌症并不是模拟临床环境的最佳选择。”

在成功打印3D肿瘤后，Satchi-Fainaro教授和她的同事证明了，与在培养皿上生长出的癌细胞不同，3D生物打印模型具有快速、可靠且可重复地为特定病人预测最合适的治疗方法的潜力。

三个方面的颠覆性影响

“我们证明了我们的3D模型在三种方式下都更适用于预测治疗效果、靶点发现和药物开发。”

之预测治疗效果

“首先，我们测试了一种物质，该物质可以抑制我们最近在胶质母细胞瘤中发现的P-Selectin蛋白质，在2D培养皿的细胞培养物中。我们发现被该物质处理过的细胞和未处理过的对照细胞之间的细胞分裂和迁移没有任何差异。相反，在动物模型和3D生物打印模型中，我们能够使用该物质以阻断P-Selectin蛋白入侵来延迟胶质母细胞瘤的生长。这个实验向我们展示了为什么潜在有效的药物很少到达临床，仅仅因为它们在2D模型的试验中已失败，反之亦然：为什么被认为在实验室中取得了惊人成功的药物，最终在临床试验中会失败。”

“此外，我们还与TAU医学院病理学系Asaf Madi博士的实验室合作，对3D生物打印模型中生长出的癌细胞进行了基因测序，并将它们与在2D塑料培养皿上生长的癌细胞和从患者身上提取的癌细胞进行了比较。从而，我们证明了3D生物打印的肿瘤与患者来源的胶质母细胞瘤的细胞，在自然环境中与脑基质细胞一起生长下，具有更大的相似性。而随着时间的推移，在塑料培养皿上生长的癌细胞发生了很大变化，最终与患者脑肿瘤样本中的癌细胞不再有任何相似之处。”

“第三个证据是通过测量肿瘤生长速度获得的。胶质母细胞瘤是一种侵袭性疾病，部分源于它是不可预测的：当异质癌细胞分别注射到模型动物中时，某些癌症将保持在休眠状态，而在其他一些模型中，活性肿瘤将迅速生长、发展。这是说得通的，因为作为人类，我们可以在不知道自己患有这种休眠性肿瘤的情况下安然度过晚年。然而，在实验室的塑料培养皿中，所有肿瘤都以相同的速度生长并以相同的速度扩散。在我们的3D生物打印肿瘤中，异质性得以保持，且其发展与我们在患者或动物模型中看到的广谱是相似的。”

根据计算出的3D模型，在大脑微环境中演示的3D打印肿瘤

图片来源：DOI: 10.1126/sciadv.abi9119，特拉维夫大学

之靶点发现和药物开发

根据Satchi-Fainaro教授的说法，这种创新方法还将以比现在快得多的速度促进新药开发和新药靶点发现。希望在未来，这项技术将促进对患者的个性化医疗。

“如果我们从患者的细胞组织中取样，连同其细胞外基质，我们就可以从这个样本中3D生物打印出100个微小肿瘤，并以各种组合来对许多不同的药物进行测试，以发现针对这种特定肿瘤的最佳治疗方法。或者，我们可以在3D生物打印的肿瘤上测试多种化合物，来决定哪种化合物最有希望成为潜在药物并进行进一步的开发和投资。但也许最令人兴奋的方面是在癌细胞中寻找新的可成药靶点的蛋白和基因，因为当肿瘤生长在患者或动物模型的大脑里时，这成为一项非常艰难的任务。我们的创新使我们能够不受时间限制地获得前所未有的 3D肿瘤，从而更好地模拟临床场景，实现最佳的研究调查。”

论文链接（访问开放）：

1. https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabi9119

原文链接：

1. https://medicalxpress.com/news/2021-08-3d-bioprinting-entire-tumor.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。