3D生物打印癌症模型：从基础生物学到药物开发

前言

目前，在开发新药方面投入的努力往往无法转化为对癌症患者有意义的临床益处。因此，开发更有效的抗癌治疗方法并准确预测其临床价值仍然是迫切的医疗需求。由于实体癌具有由不同细胞类型和细胞外基质组成的复杂和异质结构，三维（3D）癌症模型在促进我们对癌症生物学的理解方面具有巨大的潜力。

先进的3D生物打印癌症模型有可能彻底改变我们发现治疗靶点和开发新药的方式，并以准确、可复制、临床可转化和稳健的方式进行个性化抗癌治疗。因此，深入了解2D、3D和肿瘤动物模型之间的肿瘤发生差异至关重要，这一新兴领域将有助于目前的癌症研究以及新疗法的临床转化。

3D生物打印癌症模型的优势

理想的3D生物打印癌症模型可以精确地再现特定肿瘤的体内环境，包括其灌注血管。使得能够模拟体内环境对肿瘤细胞行为进行多种生化评估。事实上，基因表达分析表明，与2D培养物相比，3D生物打印的癌症模型可以显示免疫球蛋白生成、促炎分子表达、细胞因子和／或趋化因子的激活、细胞－细胞粘附途径的上调以及和DNA复制细胞分裂相关蛋白的减少。这些差异提供了3D环境如何影响癌细胞生长、迁移、侵袭、干细胞和基因表达的见解。

此外，原始肿瘤ECM的弹性、可塑性和机械性能可以通过使用特定的基质材料进行建模。例如，肝源脱细胞ECM和乳腺源脱细胞的ECM具有保留的微结构和超微结构，与基质中结合和隔离的生长因子一起控制细胞位置和定向。通过数字光处理（DLP）技术打印的去细胞化ECM支架能够实现精确的空间细胞沉积，从而保留了这些组织特异性生长因子。基于DLP的模型也被用于研究胰腺导管腺癌发展的初始阶段。

血管在肿瘤增殖、氧扩散、血管生成、血管内和血管外渗中起着至关重要的作用。因此，在仿生肿瘤模型中实现功能性血管网络对于维持细胞活力和揭示肿瘤与血管之间的密切关系至关重要。通过含有血管系统的3D生物打印癌症模型可以研究这种动态环境，包括循环癌细胞如何与基质细胞和浸润的免疫细胞相互作用，不同细胞类型之间分泌因子的交换，对外部刺激的反应，以及癌细胞对转移的微环境的行为适应。

每种癌症都有独特的TME，包括各种健康功能细胞类型，如基质细胞、血管细胞和免疫细胞。然而，非生物打印的3D癌症模型是通过如水凝胶构建物、聚合物支架、微载体珠和悬滴实现的，不能对组织形成进行时空控制，也不允许长期观察动态变化。3D生物打印模型可以通过重建整个TME（包括其功能和结构层次）来克服这些限制，从而以高分辨率忠实地模拟复杂的体内肿瘤组织结构，并保持患者衍生组织的活力和功能。

3D生物打印癌症模型的重要作用

模拟转移性生态位

癌症研究中的一个重要挑战是构建能够重现自然转移生态位的体外模型。除了不同转移位置之间ECM特性的差异外，侵袭癌细胞和转移龛内TME之间的相互作用在介导转移级联中至关重要。

在模拟骨转移龛的3D生物打印模型中，MDA－MB－231乳腺癌细胞与成骨细胞和人骨髓间充质干细胞（MSC）共培养，以模拟骨TME。在加入癌细胞后的5天内，MSCs和成骨细胞的增殖率降低，表明乳腺癌细胞在肿瘤骨中诱导骨溶解。此外，该模型中的乳腺癌细胞显示促血管生成因子VEGF分泌增加，碱性磷酸酶活性降低，这些是新骨形成的标志。

模拟肿瘤血管

提高对肿瘤细胞－内皮细胞相互作用的理解可以揭示肿瘤转移和血管生成的重要机制。通过3D生物打印技术，生成乳腺癌微球体，其包封含有人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的微纤维。当与乳腺癌细胞共同培养时，HUVEC向纤维外的癌细胞伸长，这些细胞只保留在纤维内，并在纤维内形成血管样空腔。这一发现显示了共同培养的3D生物打印癌症模型在重塑癌细胞和内皮细胞之间的相互作用方面的潜力。

抗肿瘤免疫

将来自TME和外周的免疫细胞带入3D生物打印模型可以提供一个可复制的平台来研究人类抗癌免疫反应，从而生成适合于理解肿瘤生物学和药物测试的肿瘤模型。例如，在由膀胱癌细胞、成纤维细胞、HUVEC和单核细胞组成的3D生物打印模型中，用卡介苗（BCG）治疗可导致单核细胞促炎细胞因子的分泌增加，癌细胞生长减少。

目前，已经开发了几种3D生物打印模型，以快速可靠地评估免疫调节剂和基于细胞的癌症免疫疗法的疗效。例如，3D生物打印模型已用于评估神经母细胞瘤的嵌合抗原受体（CAR）T细胞治疗。

脑恶性肿瘤在治疗上面临相当大的挑战，部分原因是其独特的脑TME促进肿瘤进展。基于DLP的3D生物打印胶质母细胞瘤模型已开发出来，模拟脑TME，包含胶质瘤干细胞、星形胶质细胞、神经前体细胞和巨噬细胞。该模型还能够分析巨噬细胞表型，并检测由于癌细胞与TME相互作用而发生的多种转录变化。在这个模型中，癌细胞招募的巨噬细胞获得了促进肿瘤发生的胶质瘤相关表型。

通过结合不同的技术并调整所需的组织样特性和细胞成分，3D生物打印模型可以作为研究TME和癌症免疫学的宝贵工具。

3D生物打印癌症模型的药物开发应用

3D生物打印使细胞和ECM的组装能够形成3D构建体，该构建体重现了癌症组织的复杂性，并可作为发现新的治疗靶点、抗癌药物的临床前测试和个性化癌症治疗开发的稳健和可重复的平台。

药效评估

3D打印生物癌症模型已应用于多种药物的筛选和发现。ECM特性（如密度和组成）影响药物扩散和肿瘤渗透，一些3D生物打印肿瘤模型考虑了这些因素。在一种迭代的3D生物打印方法中，使用了悬浮在明胶－海藻酸盐－基质生物材料中的GP－118患者来源的胃腺癌细胞，这种3D生物打印的胃腺癌模型对多西紫杉醇、5－氟尿嘧啶和顺铂具有化疗抗性，可用于评估开发药物的耐药性。

3D生物打印模型也已被用于评估单克隆抗体的治疗效果。例如metuzumab（一种抗CD174抗体，用于治疗多种癌症），研究人员使用热敏生物材料对由SMMC－7721肝癌细胞和HUVEC组成的微流体进行3D生物打印。与2D培养相比，3D模型中需要更高剂量的metuzumab来抑制癌细胞迁移和增殖。另外，将人外周血单个核细胞纳入3D生物打印模型使研究者能够评估metuzumab诱导的ADCC细胞毒性，这是治疗性抗体的一个重要方面。

药物筛选平台

除了评估肿瘤对药物的反应外，3D生物打印平台还可以帮助高通量筛选化合物和批准用于不同疾病或适应症的药物。全外显子组测序（WES）可以识别患者癌症样品的突变谱，并通过将这些突变谱与靶向突变的特定药物进行关联来预测药物敏感性。

靶标发现

将可灌注血管系统添加到多细胞3D生物打印模型中可能会进一步改善药物筛选平台。例如，正在开发的一个3D生物打印的微工程胶质母细胞瘤模型，该模型包含了内衬内皮细胞和周细胞的可灌注毛细血管，并连接到周血泵。这种3D模型可以反映出胶质母细胞瘤样品的异质性，与来自同一细胞的2D培养物相比，这种3D模型中的肿瘤细胞在转录上与体内胶质母细胞瘤肿瘤细胞更相似。值得注意的是，这个模型显示了P－选择素的上调，而在2D培养基中生长的胶质母细胞瘤细胞不表达P－选择素，也不受P－选择蛋白抑制剂的影响，这表明使用3D生物打印癌症模型可能会发现传统2D培养无法检测到的治疗靶点。

总之，3D生物打印癌症模型已被证明比传统2D培养方法更能反映肿瘤异质性、TME复杂性、癌细胞行为、基因表达特征和药物反应。这些模型还提供了研究癌症治疗方法参数的平台，这些参数无法使用传统2D培养方法或简单3D模型进行充分研究。

临床试验

各种正在进行的临床试验正在评估3D癌症模型在药物筛选、靶点发现和个性化治疗方面的预测能力。例如，一项正在进行的临床试验正在评估3D生物打印肝癌模型预测化疗对结直肠癌以及结直肠癌肝转移的反应（NCT04755907）。另一项试验使用了透明质酸－明胶生物材料的3D生物打印来制作骨髓瘤器官样模型（NCT03890614），旨在建立患者特异性生物印迹模型，以研究骨髓瘤生物学和化疗敏感性。这些临床研究为使用3D生物打印癌症模型准确模拟患者肿瘤及其动态微环境并预测治疗结果的可行性提供了概念证明。

小结

3D生物打印癌症模型有可能改变我们研究、诊断、预防和治疗癌症的方式。这些模型的商业化，特别是在药物开发和测试方面，预计将产生巨大的经济效益。此外，先进的3D生物打印技术，结合基于机器学习和人工智能的组学方法，可能发现癌症生物学的基本机制，揭示新的生物标记物和药物靶点，并推动有效的个性化癌症治疗的发展。

参考文献：

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

原文标题:3D生物打印癌症模型：从基础生物学到药物开发