【Science子刊】湘雅医院陈翔团队创新：声学虚拟3D支架，助力肿瘤免疫细胞直接共培养系统

2024年11月22日，中南大学湘雅医院皮肤科陈翔教授团队在期刊《Science Advances》上发表了题为“Acoustic virtual 3D scaffold for direct-interacting tumor organoid–immune cell coculture systems”的研究论文。团队利用AV-Scaf建立了无支架的黑色素瘤和乳腺癌器官组织，并将黑色素瘤器官组织与T细胞进行了共培养。AV-Scaf为肿瘤类器官-免疫细胞研究提供了一种有效的方法，推动了癌症研究和免疫疗法的开发。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr4831

关于AV-Scaf

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三维（3D）细胞培养极大地推动了生命科学和组织工程领域的发展。共培养系统中T细胞的活化，在模拟和研究肿瘤微环境中的免疫反应方面起着关键作用。活化的T细胞可以识别并攻击肿瘤细胞，从而在体外模拟肿瘤的天然免疫反应。然而，传统的类器官培养方法，包括Matrigel、液滴和微室，虽然提供了三维结构支持，但却限制了肿瘤细胞与共培养细胞的直接相互作用，阻碍了共培养系统的T细胞活化效率。

在这项研究中，团队开发了一种声学虚拟三维支架（AV-Scaf）方法来实现三维肿瘤类器官培养，从而实现了肿瘤类器官-免疫细胞直接相互作用的共培养系统。与基于Matrigel的方法相比，AV-Scaf直接相互作用共培养系统中的T细胞，表现出高度活化状态，其特点是颗粒酶B（GZMB）（2.82%至17.5%）和干扰素-γ（IFN-γ）（1.36%至16%）显著上调。AV-Scaf实现了肿瘤类器官-免疫细胞直接相互作用的共培养系统，为药物开发和精准个性化治疗，提供了更有效的肿瘤免疫微环境。

用于无支架肿瘤细胞器的AV-Scaf

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AV-Scaf包括通过US换能器和透镜产生聚焦声漩涡，这种配置旨在实现肿瘤细胞在焦平面内的聚集。设计的漩涡聚焦声场能在最佳位置聚集肿瘤细胞，并将它们聚合成适当大小的细胞簇，同时还能施加非接触式机械刺激。这促进了细胞间的交流，并在不降低细胞活力的情况下，诱导细胞进一步自组织成有机体。声波辐射力和流媒体可用于在不直接接触的情况下，将肿瘤细胞操纵成团。除了细胞生物组装，US还能通过激活离子通道的机械刺激触发细胞重编程。例如，US可以激活不同的离子通道，包括TRP、TREK、TRAAK和PIEZO系列，从而改变细胞的行为。US可显著增强钙离子的流入，从而加速基于细胞组装的细胞间相互作用过程。团队将聚焦涡旋声场用作虚拟三维支架，以加速肿瘤细胞的自组织。由于不含基质，AV-Scaf获得的三维肿瘤类器官模型是在二维环境中形成的。因此，团队无支架肿瘤类器官模型具有很强的可扩展性，更容易建立能准确代表肿瘤微环境的共培养系统。

用于无支架肿瘤细胞器的AV-Scaf示意图。

直接相互作用共培养系统，可提高T细胞活化效率

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与Matrigel相比，使用AV-Scaf方法能显著增强T细胞的活化。AV-Scaf组CD45CD8GZMB细胞的百分比，明显高于Matrigel组。同样，CD45CD8IFN-γ细胞在AV-Scaf组也明显多于Matrigel组。这些发现表明，AV-Scaf法有可能在类器官细胞培养系统中为T细胞活化，提供更有效的微环境。AV-Sca方法产生的肿瘤细胞器中没有Matrigel，有利于肿瘤细胞和T细胞直接接触，从而增强T细胞的活化，这对免疫细胞培养药物测试至关重要。这种增强可能会促进T细胞与肿瘤细胞之间更强有力的相互作用，从而有可能提高免疫治疗策略的疗效。

建立和分析由AV-Scaf促进的肿瘤类器官-T细胞共培养系统。

总结

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1. AV-Scaf作为Matrigel替代品的潜力：研究结果表明，AV-Scaf在类器官形成中提供了与Matrigel相似的结果，凸显了其作为替代品的潜力。

2. 共培养实验与免疫疗法研究的相关性：与T细胞的共培养实验表明，基于AV-Scaf的器官组织能更准确地再现肿瘤微环境，观察到的T细胞活化效率凸显了该模型与免疫疗法研究的相关性。

3. PD-1抗体的细胞毒性实验：实验强调了共培养模型在免疫疗法应用方面的巨大潜力。

4. 开发可扩展且与生理相关的类器官培养方法：研究强调了开发这类方法的重要性，AV-Scaf方法规避了传统支架材料的局限性，为生成肿瘤类器官和共培养系统提供了一个强大的多功能平台。

5. AV-Scaf方法的可扩展性和简易性：这些特性使其成为高通量筛选和个性化医学应用的一个极具吸引力的选择。

6. 对组织工程和再生医学领域的潜在影响：AV-Scaf方法为类器官培养提供了一个更可靠、更可扩展的平台，有可能对这些领域产生重大影响，最终改善癌症患者的临床治疗效果。

参考资料：

1.S. Nath, G. R. Devi, Three-dimensional culture systems in cancer research: Focus on tumor spheroid model. Pharmacol. Ther. 163, 94–108 (2016).

2.J. Lou, R. Stowers, S. Nam, Y. Xia, O. Chaudhuri, Stress relaxing hyaluronic acid-collagen hydrogels promote cell spreading, fiber remodeling, and focal adhesion formation in 3D cell culture. Biomaterials 154, 213–222 (2018).