前言

目前，在開發(fā)新藥方面投入的努力往往無法轉(zhuǎn)化為對癌癥患者有意義的臨床益處。因此，開發(fā)更有效的抗癌治療方法并準(zhǔn)確預(yù)測其臨床價值仍然是迫切的醫(yī)療需求。由于實體癌具有由不同細(xì)胞類型和細(xì)胞外基質(zhì)組成的復(fù)雜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，三維（3D）癌癥模型在促進我們對癌癥生物學(xué)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(fā)現(xiàn)治療靶點和開發(fā)新藥的方式，并以準(zhǔn)確、可復(fù)制、臨床可轉(zhuǎn)化和穩(wěn)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(fā)生差異至關(guān)重要，這一新興領(lǐng)域?qū)⒂兄�于目前的癌癥研究以及新療法的臨床轉(zhuǎn)化。

3D生物打印癌癥模型的優(yōu)勢

理想的3D生物打印癌癥模型可以精確地再現(xiàn)特定腫瘤的體內(nèi)環(huán)境，包括其灌注血管。使得能夠模擬體內(nèi)環(huán)境對腫瘤細(xì)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(yǎng)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(xì)胞因子和／或趨化因子的激活、細(xì)胞－細(xì)胞粘附途徑的上調(diào)以及和DNA復(fù)制細(xì)胞分裂相關(guān)蛋白的減少。這些差異提供了3D環(huán)境如何影響癌細(xì)胞生長、遷移、侵襲、干細(xì)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(zhì)材料進行建模。例如，肝源脫細(xì)胞ECM和乳腺源脫細(xì)胞的ECM具有保留的微結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)，與基質(zhì)中結(jié)合和隔離的生長因子一起控制細(xì)胞位置和定向。通過數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)打印的去細(xì)胞化ECM支架能夠?qū)崿F(xiàn)精確的空間細(xì)胞沉積，從而保留了這些組織特異性生長因子�；�于DLP的模型也被用于研究胰腺導(dǎo)管腺癌發(fā)展的初始階段。

血管在腫瘤增殖、氧擴散、血管生成、血管內(nèi)和血管外滲中起著至關(guān)重要的作用。因此，在仿生腫瘤模型中實現(xiàn)功能性血管網(wǎng)絡(luò)對于維持細(xì)胞活力和揭示腫瘤與血管之間的密切關(guān)系至關(guān)重要。通過含有血管系統(tǒng)的3D生物打印癌癥模型可以研究這種動態(tài)環(huán)境，包括循環(huán)癌細(xì)胞如何與基質(zhì)細(xì)胞和浸潤的免疫細(xì)胞相互作用，不同細(xì)胞類型之間分泌因子的交換，對外部刺激的反應(yīng)，以及癌細(xì)胞對轉(zhuǎn)移的微環(huán)境的行為適應(yīng)。

每種癌癥都有獨特的TME，包括各種健康功能細(xì)胞類型，如基質(zhì)細(xì)胞、血管細(xì)胞和免疫細(xì)胞。然而，非生物打印的3D癌癥模型是通過如水凝膠構(gòu)建物、聚合物支架、微載體珠和懸滴實現(xiàn)的，不能對組織形成進行時空控制，也不允許長期觀察動態(tài)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(jié)構(gòu)層次）來克服這些限制，從而以高分辨率忠實地模擬復(fù)雜的體內(nèi)腫瘤組織結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)移性生態(tài)位

癌癥研究中的一個重要挑戰(zhàn)是構(gòu)建能夠重現(xiàn)自然轉(zhuǎn)移生態(tài)位的體外模型。除了不同轉(zhuǎn)移位置之間ECM特性的差異外，侵襲癌細(xì)胞和轉(zhuǎn)移龕內(nèi)TME之間的相互作用在介導(dǎo)轉(zhuǎn)移級聯(lián)中至關(guān)重要。

在模擬骨轉(zhuǎn)移龕的3D生物打印模型中，MDA－MB－231乳腺癌細(xì)胞與成骨細(xì)胞和人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）共培養(yǎng)，以模擬骨TME。在加入癌細(xì)胞后的5天內(nèi)，MSCs和成骨細(xì)胞的增殖率降低，表明乳腺癌細(xì)胞在腫瘤骨中誘導(dǎo)骨溶解。此外，該模型中的乳腺癌細(xì)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(biāo)志。

模擬腫瘤血管

提高對腫瘤細(xì)胞－內(nèi)皮細(xì)胞相互作用的理解可以揭示腫瘤轉(zhuǎn)移和血管生成的重要機制。通過3D生物打印技術(shù)，生成乳腺癌微球體，其包封含有人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）的微纖維。當(dāng)與乳腺癌細(xì)胞共同培養(yǎng)時，HUVEC向纖維外的癌細(xì)胞伸長，這些細(xì)胞只保留在纖維內(nèi)，并在纖維內(nèi)形成血管樣空腔。這一發(fā)現(xiàn)顯示了共同培養(yǎng)的3D生物打印癌癥模型在重塑癌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)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(xì)胞帶入3D生物打印模型可以提供一個可復(fù)制的平臺來研究人類抗癌免疫反應(yīng)，從而生成適合于理解腫瘤生物學(xué)和藥物測試的腫瘤模型。例如，在由膀胱癌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、HUVEC和單核細(xì)胞組成的3D生物打印模型中，用卡介苗（BCG）治療可導(dǎo)致單核細(xì)胞促炎細(xì)胞因子的分泌增加，癌細(xì)胞生長減少。

目前，已經(jīng)開發(fā)了幾種3D生物打印模型，以快速可靠地評估免疫調(diào)節(jié)劑和基于細(xì)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(jīng)母細(xì)胞瘤的嵌合抗原受體（CAR）T細(xì)胞治療。

腦惡性腫瘤在治療上面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，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(zhì)母細(xì)胞瘤模型已開發(fā)出來，模擬腦TME，包含膠質(zhì)瘤干細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)前體細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。該模型還能夠分析巨噬細(xì)胞表型，并檢測由于癌細(xì)胞與TME相互作用而發(fā)生的多種轉(zhuǎn)錄變化。在這個模型中，癌細(xì)胞招募的巨噬細(xì)胞獲得了促進腫瘤發(fā)生的膠質(zhì)瘤相關(guān)表型。

通過結(jié)合不同的技術(shù)并調(diào)整所需的組織樣特性和細(xì)胞成分，3D生物打印模型可以作為研究TME和癌癥免疫學(xué)的寶貴工具。

3D生物打印癌癥模型的藥物開發(fā)應(yīng)用

3D生物打印使細(xì)胞和ECM的組裝能夠形成3D構(gòu)建體，該構(gòu)建體重現(xiàn)了癌癥組織的復(fù)雜性，并可作為發(fā)現(xiàn)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(fā)的穩(wěn)健和可重復(fù)的平臺。

藥效評估

3D打印生物癌癥模型已應(yīng)用于多種藥物的篩選和發(fā)現(xiàn)。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(zhì)生物材料中的GP－118患者來源的胃腺癌細(xì)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(fā)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(xì)胞和HUVEC組成的微流體進行3D生物打印。與2D培養(yǎng)相比，3D模型中需要更高劑量的metuzumab來抑制癌細(xì)胞遷移和增殖。另外，將人外周血單個核細(xì)胞納入3D生物打印模型使研究者能夠評估m(xù)etuzumab誘導(dǎo)的ADCC細(xì)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(yīng)外，3D生物打印平臺還可以幫助高通量篩選化合物和批準(zhǔn)用于不同疾病或適應(yīng)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(guān)聯(lián)來預(yù)測藥物敏感性。

靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)

將可灌注血管系統(tǒng)添加到多細(xì)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(fā)的一個3D生物打印的微工程膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型，該模型包含了內(nèi)襯內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的可灌注毛細(xì)血管，并連接到周血泵。這種3D模型可以反映出膠質(zhì)母細(xì)胞瘤樣品的異質(zhì)性，與來自同一細(xì)胞的2D培養(yǎng)物相比，這種3D模型中的腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄上與體內(nèi)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤腫瘤細(xì)胞更相似。值得注意的是，這個模型顯示了P－選擇素的上調(diào)，而在2D培養(yǎng)基中生長的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)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(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)2D培養(yǎng)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(tǒng)2D培養(yǎng)方法更能反映腫瘤異質(zhì)性、TME復(fù)雜性、癌細(xì)胞行為、基因表達特征和藥物反應(yīng)。這些模型還提供了研究癌癥治療方法參數(shù)的平臺，這些參數(shù)無法使用傳統(tǒng)2D培養(yǎng)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(fā)現(xiàn)和個性化治療方面的預(yù)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(yù)測化療對結(jié)直腸癌以及結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的反應(yīng)（NCT04755907）。另一項試驗使用了透明質(zhì)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(xué)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(zhǔn)確模擬患者腫瘤及其動態(tài)微環(huán)境并預(yù)測治療結(jié)果的可行性提供了概念證明。

小結(jié)

3D生物打印癌癥模型有可能改變我們研究、診斷、預(yù)防和治療癌癥的方式。這些模型的商業(yè)化，特別是在藥物開發(fā)和測試方面，預(yù)計將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。此外，先進的3D生物打印技術(shù)，結(jié)合基于機器學(xué)習(xí)和人工智能的組學(xué)方法，可能發(fā)現(xiàn)癌癥生物學(xué)的基本機制，揭示新的生物標(biāo)記物和藥物靶點，并推動有效的個性化癌癥治療的發(fā)展。

參考文獻：

1．3Dbioprinted cancer models： from basic biology to drug development． Nat RevCancer．2022 Oct 24．

       原文標(biāo)題 : 3D生物打印癌癥模型：從基礎(chǔ)生物學(xué)到藥物開發(fā)