當(dāng)今的癌癥治療方法主要是通過(guò)體外細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物模型進(jìn)行藥物篩選和評(píng)估。然而，這些方法存在一些局限性，例如細(xì)胞培養(yǎng)無(wú)法模擬腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性，而動(dòng)物模型則存在種類差異和倫理問(wèn)題。因此，研究人員一直在尋找更好的方法來(lái)模擬腫瘤微環(huán)境并評(píng)估藥物療效。

今天，小學(xué)社要為大家推薦一篇最新前沿文章，本文提出了一種創(chuàng)新的技術(shù)——三維生物打印血管化肺癌類器官模型，該技術(shù)可以更好地模擬腫瘤微環(huán)境。該模型包括患者來(lái)源的肺癌類器官（LCO）、肺成纖維細(xì)胞和使用3D生物打印技術(shù)的可灌注血管，預(yù)計(jì)該方法可用于肺癌（LC）伴纖維化患者的靶向治療開(kāi)發(fā)或生物標(biāo)志物鑒定。

肺癌(LC)是全球最常見(jiàn)的致命惡性腫瘤之一，非小細(xì)胞肺癌的5年生存率極低。然而，現(xiàn)有的治療方法并不完全有效，這是因?yàn)長(zhǎng)C微環(huán)境的復(fù)雜性和患者的遺傳特征影響了藥物的反應(yīng)。傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)模型無(wú)法完全模擬LC的發(fā)展和轉(zhuǎn)移過(guò)程，這導(dǎo)致了藥物評(píng)估和治療方案的不準(zhǔn)確性。因此，我們需要一種能夠在體外重現(xiàn)LC的遺傳和環(huán)境特征的模型，以便更準(zhǔn)確地評(píng)估藥物的反應(yīng)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用3D生物打印技術(shù)成功構(gòu)建了一個(gè)高度仿真的LC模型，這有助于更好地模擬LC的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移過(guò)程，為L(zhǎng)C治療提供更精確的藥物評(píng)估和治療方案。

1. 選取合適的細(xì)胞和生物材料構(gòu)建3D生物打印LC模型。

2. 使用3D生物打印技術(shù)將LC細(xì)胞、肺成纖維細(xì)胞和肺源性脫細(xì)胞化細(xì)胞外基質(zhì)（LudECM）生物材料打印成一個(gè)高度仿真的LC模型。

3. 對(duì)構(gòu)建的LC模型進(jìn)行了生物學(xué)特性分析以驗(yàn)證模型的可靠性和仿真度。

4. 使用構(gòu)建的LC模型進(jìn)行了藥物評(píng)估和治療方案的研究。

1. 研究 LudECM 水凝膠的生物化學(xué)和生物物理特性

本研究介紹了組織來(lái)源的脫細(xì)胞ECM的特點(diǎn)和應(yīng)用。ECM含有多種成分，可以影響局部細(xì)胞行為。研究者們成功地開(kāi)發(fā)了豬肺組織的脫細(xì)胞方案，并制備了LudECM水凝膠來(lái)復(fù)制肺組織特異性ECM成分。生化和組織學(xué)分析表明，LudECM水凝膠成功地保留了ECM的重要成分。此外，LudECM水凝膠具有纖維結(jié)構(gòu)和孔隙，有助于細(xì)胞間的相互作用和形態(tài)發(fā)生，并促進(jìn)氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的運(yùn)輸。凝膠動(dòng)力學(xué)分析表明，LudECM水凝膠具有穩(wěn)定的復(fù)合模量。這種豬LudECM水凝膠可以成為類器官形成和長(zhǎng)期維持的理想選擇。優(yōu)化的脫細(xì)胞過(guò)程對(duì)ECM的組成和物理特性的保持非常關(guān)鍵（圖1）。

圖1

2. LudECM與Matrigel蛋白組成的比較

該研究比較分析了LudECM和Matrigel的蛋白譜，發(fā)現(xiàn)LudECM中包含與Matrigel不同的肺特異性ECM成分。LudECM中最豐富的蛋白包括膠原和糖蛋白，而Matrigel中主要是糖蛋白。LudECM中的層粘連蛋白-521亞型在調(diào)節(jié)干細(xì)胞增殖和組織穩(wěn)態(tài)相關(guān)的信號(hào)通路中起重要作用。分析還發(fā)現(xiàn)LudECM與癌癥進(jìn)展和發(fā)育相關(guān)的信號(hào)通路有關(guān)。兩種材料之間重疊的基質(zhì)蛋白主要參與細(xì)胞粘附、遷移、分化和ECM-細(xì)胞相互作用。因此，LudECM可以更好地反映肺組織微環(huán)境，并可能在癌癥的發(fā)展中發(fā)揮作用。這些發(fā)現(xiàn)揭示了LudECM在癌癥生物學(xué)研究和治療策略開(kāi)發(fā)方面的潛在價(jià)值（圖2）。

圖2

3. 在LudECM中培養(yǎng)的LCO的組織病理學(xué)和分子特征的保存以及突變指紋圖譜

該研究驗(yàn)證了LudECM中的特定ECM信號(hào)對(duì)LCO的發(fā)展具有積極的作用。和在Matrigel中培養(yǎng)的LCO相比，LudECM中的LCO增殖速度較慢，但在4天后開(kāi)始迅速增長(zhǎng)。此外，LudECM上生長(zhǎng)的LCO的形態(tài)和大小與Matrigel上的LCO相似?；罴?xì)胞比例方面，Matrigel和LudECM之間沒(méi)有顯著差異。研究的LCO來(lái)自于原始的腺癌組織，Matrigel和LudECM都能保留LCO的腺癌表型及其組織學(xué)特征，且LudECM中的LCO保留了原始癌組織的遺傳變異。此外，在Matrigel和LudECM中，LC細(xì)胞標(biāo)記物的蛋白表達(dá)水平?jīng)]有明顯差異?？傊?strong>這些結(jié)果表明，富含肺組織特異性ECM成分的LudECM支持LCO的生長(zhǎng)，同時(shí)保留了原始癌組織的組織學(xué)、分子和遺傳特性（圖3）。

圖3

4. 通過(guò)患者源性LCOs 和 iLFs 之間的串聯(lián)，重現(xiàn)TME纖維化

研究人員使用IPF患者產(chǎn)生的IPF衍生的肺成纖維細(xì)胞（iLF）模擬細(xì)胞源性纖維化環(huán)境，發(fā)現(xiàn)iLF具有增強(qiáng)的膠原形成能力和細(xì)胞因子分泌能力，并能通過(guò)細(xì)胞間相互作用調(diào)節(jié)ECM重塑。研究結(jié)果顯示，LudECM比Matrigel更適合iLF產(chǎn)生膠原蛋白，可能有助于癌癥模型發(fā)展和潛在治療方法的研究。此外，研究還發(fā)現(xiàn)LudECM比Matrigel在刺激細(xì)胞功能和IL-6分泌方面更優(yōu)越，并且在增強(qiáng)基質(zhì)細(xì)胞增殖和刺激細(xì)胞功能方面也更具優(yōu)勢(shì)。LCO包埋在Matrigel和LudECM中并與iLF共培養(yǎng)，觀察發(fā)現(xiàn)LudECM中iLF和LCO之間有更多直接接觸，對(duì)LCO的生長(zhǎng)和基因表達(dá)變化產(chǎn)生影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，iLF對(duì)LCO有旁分泌作用，并可能影響多種與癌癥發(fā)生、進(jìn)展和耐藥性相關(guān)的途徑。因此，LudECM可用于更準(zhǔn)確評(píng)估藥物反應(yīng)，提供類似于實(shí)際癌癥微環(huán)境的串?dāng)_作用（圖4）。

圖4

5. 評(píng)估有基礎(chǔ)疾病的 LCO 患者對(duì)對(duì)EGFR-TKIs的反應(yīng)性

本研究通過(guò)生成抗癌藥物的劑量-反應(yīng)曲線，并在LCO中評(píng)估了它們的適用性。結(jié)果顯示，針對(duì)患者LC組織中特定基因突變的藥物表現(xiàn)出不同的反應(yīng)。尤其是在纖維化存在的情況下，LCO顯示出對(duì)敏感藥物抗性增強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)了與纖維化LCO抗藥性增加相關(guān)的信號(hào)通路的激活。因此，細(xì)胞間相互作用對(duì)藥物響應(yīng)性產(chǎn)生了影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)調(diào)了材料組成和TME特性的再現(xiàn)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估藥物反應(yīng)的重要性（圖5）。

圖5

6. 生物打印血管化LCO模型，實(shí)現(xiàn)更好的藥物測(cè)試響應(yīng)

研究利用TME仿生生物墨水和3D生物打印技術(shù)制備血管化LCO模型，其在多細(xì)胞水平上復(fù)制血管灌注系統(tǒng)、組織-組織界面和組織特異性結(jié)構(gòu)特征方面具有優(yōu)勢(shì)。首先，使用PEVA打印出一個(gè)用于培養(yǎng)LCOs-iLFs-ECs的腔室。然后，使用明膠打印出類似血管的形狀，并在血管周圍打印含有ilf的生物墨水，然后去除明膠。將iLF在LudECM中培養(yǎng)一天，然后將內(nèi)皮細(xì)胞（EC）植入血管中去除明膠的部分。在血管細(xì)胞穩(wěn)定一天后，LCO最終被打印在血管周圍的成纖維細(xì)胞區(qū)域。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到成纖維細(xì)胞與LCO之間的積極融合，并發(fā)現(xiàn)血管化LCO模型中的增殖細(xì)胞數(shù)量高于非血管化LCOs模型。通過(guò)藥物擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，血管化LCO模型中的血管轉(zhuǎn)運(yùn)情況受到EC和iLF的存在的影響。總體而言，血管化的LCO模型可以為癌癥治療藥物的研究提供有價(jià)值的見(jiàn)解（圖6）。

圖6

癌癥治療是全球的健康挑戰(zhàn)，科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為臨床治療是關(guān)鍵。PDO是一種有潛力的模型，可以更好地預(yù)測(cè)藥物反應(yīng)和個(gè)體化治療。在這項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種血管化的LC模型，結(jié)合了基質(zhì)細(xì)胞和LudECM水凝膠，以更準(zhǔn)確地模擬腫瘤微環(huán)境。通過(guò)使用3D生物打印技術(shù)，他們將基質(zhì)細(xì)胞和血管組分與PDO結(jié)合在一起，從而提供了更準(zhǔn)確的藥物篩選和治療發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)研究有助于我們更好地了解癌癥的發(fā)展，并最終指導(dǎo)臨床決策。同時(shí)，這種方法預(yù)計(jì)也將會(huì)被更多的應(yīng)用于其他實(shí)體癌癥的纖維化建模。

參考文獻(xiàn)

Choi YM, Lee H, Ann M, Song M, Rheey J, Jang J. 3D bioprinted vascularized lung cancer organoid models with underlying disease capable of more precise drug evaluation. Biofabrication. 2023 Jun 6;15(3). doi: 10.1088/1758-5090/acd95f. PMID: 37236168.