3D列印複雜「腫瘤-血管-骨」癌症轉移模型研究癌細胞轉移機制

2020-10-30 上普生物

癌症轉移是癌症治療的關鍵挑戰，目前尚缺乏合適的體外癌症模型來研究癌症轉移背後的生物學機制。美國喬治華盛頓大學的Grace Zhang課題組近期在Advanced Healthcare Materials期刊上發表了「Engineering a Novel3D Printed Vascularized Tissue Model for Investigating Breast Cancer Metastasisto Bone」的文章，3D列印出含「腫瘤-血管-骨」的乳腺癌轉移模型，並研究血管環境在乳腺癌向骨組織侵襲過程中的作用。

研究背景

癌症導致的死亡中90％以上與癌症轉移，這也代表著癌症治療的主要挑戰。轉移性乳腺癌（BrCa）細胞具有侵入骨組織的傾向。臨床證據表明，70％的晚期乳腺癌患者發生骨骼轉移，導致嚴重的疼痛、骨折甚至死亡。研究癌症轉移背後的生物學機制是癌症治療的關鍵。癌症轉移的過程往往很難直接在患者體內進行研究，目前已經開發了一些體外癌症模型。其中，動物模型受到包括與人體組織環境和免疫系統缺乏相似性、批次差異性、異種移植複雜性等限制；傳統的2D培養模型不能準確地重構癌症微環境的特徵；3D培養模型雖然能夠體外呈現癌細胞的異質生長、抗藥性和轉移行為，但通常無法同時重構出多種器官的生理微環境。生物3D列印通過對載細胞的生物墨水進行精確受控組裝，形成大尺度異質組織/器官，因此，在構建複雜異質組織模型方面具有巨大的優勢。

最新研究表明， 3D列印的癌症模型在模擬癌症細胞和骨細胞的行為特性方面，要遠甚於2D培養模型。成骨細胞或間充質幹細胞的存在，能夠促進乳腺癌細胞的形態變化、遷移行為和耐藥性；然而，這些研究主要集中在乳腺癌轉移的最後階段。為了更好地了解乳腺癌的轉移行為，體外3D模型需要考慮癌細胞從原發部位向遠處的繼發部位遷移的過程，以及血管環境和內皮細胞的作用。因此，本研究使用立體光刻工藝（SL）3D列印了含「腫瘤-血管-骨」的異質組織模型，來模擬乳腺癌的轉移過程，即乳腺癌細胞從原發腫瘤組織脫離、遷移穿過血管、並侵入骨組織以形成繼發性腫瘤。

圖1.乳腺癌侵入骨組織的癌症轉移模型

癌症轉移模型的構建

本研究採用立體光刻（SL）工藝來列印「腫瘤-血管-骨」異質組織模型(8mm×8mm×1mm)，並採用可光聚合的生物墨水（GelMA/PEGDA）。

  1. 對於乳腺癌組織的列印，採用GelMA/PEGDA墨水列印出乳腺癌結構，並澆注載乳腺癌細胞的GelMA水凝膠，這裡分別採用兩種乳腺癌細胞系，即非侵襲性的MCF-7細胞系與侵襲性較強的MDAMB-231細胞系。

  2. 對於骨組織結構的列印，通過模擬骨組織細胞外基質的納米結構特性，在上述光聚合墨水的基礎上進一步添加50wt%的納米羥磷灰石（nHA）混合墨水。在列印的骨組織結構中澆注載成骨細胞（hFob）和內皮細胞（比例為1:1，細胞密度在104 mL−1）的GelMA水凝膠，構建血管化的骨組織。

  3. 將列印出的乳腺癌和骨結構同時轉移到10wt%的GelMA墨水池中，採用微針脫模工藝形成中空的直通道（直徑為500微米），並種植內皮細胞形成血管化通道，來模擬癌組織與骨組織之間的血管結構。


圖2. 3D列印「腫瘤-血管-骨」癌症模型與形態表徵

癌症轉移模型的評價

通過綜合比較材料的彈性模量、溶脹率和細胞增值率，將生物墨水的材料比例優化為10wt%GelMA和10wt%PEGDA。內皮細胞在純GelMA凝膠中的代謝活性要優於GelMA/PEGDA凝膠，同時低濃度（5wt%）的GelMA凝膠有利於內皮細胞的的粘附和生長。3D列印實現了多種細胞的精確分布，同時各種細胞都具有較好的增殖能力，同時，成骨細胞（hFob）和內皮細胞通過共培養的方式形成了血管化的骨組織。

在凝膠結構中MDAMB-231細胞系呈現出比MCF-7細胞系明顯更強的侵襲性，同時血管通道的存在促進了MDAMB-231細胞系的侵襲性。進一步的WST-8實驗結果表明，內皮細胞的存在，促進了乳腺癌細胞的增殖，抑制了成骨細胞的增殖；然而，乳腺癌細胞分泌的因子反過來則抑制了內皮細胞的增殖。免疫螢光染色結果證明MDAMB-231乳腺癌細胞系侵入到骨組織中，且在侵入後，成骨細胞的OCN、OPN等基因下調，而內皮細胞的CD31、VEGFA等基因上調，意味著癌細胞抑制了骨生成過程，同時受到血管的調控。

圖3. 乳腺癌細胞侵入骨組織過程的表徵

總結

轉移性乳腺癌具有侵入骨頭組織的傾向。本研究通過3D列印「腫瘤-血管-骨」的多功能異質組織來構建乳腺癌轉移模型，體外重現癌細胞從原發部位向骨組織遷移的過程，並研究血管環境和內皮細胞的作用，對於研究癌症轉移背後的生物學機制具有重要意義。

參考文獻

Cui, H., et al., Engineering a Novel 3D PrintedVascularized Tissue Model for Investigating Breast Cancer Metastasis to Bone. Advanced Healthcare Materials, 2020. 9(15): p. 1900924.（DOI:10.1002/adhm.201900924）

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