Science子刊：膠質(zhì)母細(xì)胞瘤體外3D模型的長期藥效評價

來源： EngineeringForLife

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）是一種侵襲性很強(qiáng)的惡性腦腫瘤,，并且由于GBM的異質(zhì)性,，腫瘤細(xì)胞在幾個月的治療周期中不斷發(fā)生表型變化而時常出現(xiàn)治療抵抗,。因此,，對于GBM的治療迫切需要開發(fā)能夠快速和預(yù)測性地評估候選藥物的有效模型系統(tǒng),。如今,，研究GBM的金標(biāo)準(zhǔn)仍然是動物模型，但是這些動物模型需要高精度的顱骨手術(shù),，有炎癥和動物丟失的風(fēng)險,，并且具有高樣本可變性。另一方面,，GBM體外模型例如單層細(xì)胞培養(yǎng)雖然具有可定制,、高重復(fù)性以及低成本的優(yōu)點(diǎn),，但是其缺乏長期的細(xì)胞培養(yǎng)能力和三維腫瘤微環(huán)境構(gòu)建能力。

此外,，精確的GBM體外三維模型需要具有一定的體積厚度以維持細(xì)胞的長期生存能力,，這樣便由于細(xì)胞數(shù)量的增加和細(xì)胞分泌的ECM成分的沉積，腫瘤組織結(jié)構(gòu)變得越來越渾濁,。傳統(tǒng)的成像技術(shù)評估該模型樣品在速度,、深度和分辨率之間存在很大的限制，因此急需一種無創(chuàng),、快速的深部組織成像技術(shù)來成像具有適當(dāng)微環(huán)境設(shè)計的體外厚三維腫瘤模型并進(jìn)行縱向研究,。

近期發(fā)表在Science Advances雜志上題為” High-resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastomatumor model under long-term drug treatment”的文章，來自特洛伊倫斯勒理工學(xué)院的Xavier Intes團(tuán)隊和美國波士頓東北大學(xué)的Guohao Dai團(tuán)隊開發(fā)了一個集成平臺,，該平臺能夠生成（i）一個具有灌注血管通道的體外3D-GBM模型,，該模型允許長期培養(yǎng)和藥物輸送，（ii）一個能夠使研究人員在整個體外模型上無創(chuàng)地評估縱向熒光信號的3D成像系統(tǒng)-2GMFMT（介觀熒光分子層析成像）,。

圖1  三維腫瘤組織模型和2GMFMT成像系統(tǒng),。與顯微磁共振成像（MRI）和激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）相比，2GMFMT在GBM腦腫瘤體積評估方面具有更好的數(shù)據(jù)采集時間和長期監(jiān)測性

傳統(tǒng)的GBM體外模型如2D細(xì)胞單層（圖2A-B）和3D球體懸�,。▓D2C-D）,，由于缺乏周圍基質(zhì)，均未能再現(xiàn)腫瘤的侵襲特征,。因此,，團(tuán)隊成員將長期流式培養(yǎng)和腫瘤球融合，首先生物3D打印了GBM腫瘤血管模型并動態(tài)灌流培養(yǎng)70天（圖2E）,。在培養(yǎng)期間,，植入的GBM球體開始入侵周圍基質(zhì)（26天），在TMZ藥物治療（14天）后,，腫瘤核心開始收縮,，然而某些GBM細(xì)胞治療后存活下來，并重新開始活躍地侵襲（31天）,。這種三維GBM腫瘤血管模型的結(jié)構(gòu)完整性并能使細(xì)胞活力得以維持,，表明了所開發(fā)平臺的長期培養(yǎng)和成像能力。

圖2  不同培養(yǎng)條件下GBM細(xì)胞的藥物反應(yīng)

然后,，團(tuán)隊成員將開發(fā)的2GMFMT成像系統(tǒng)與激光掃描共聚焦（LSCM）和顯微磁共振成像（μMRI）對比,，以體積誤差和球形度量化指標(biāo)證明了其在深度穿透和成像分辨率方面的三維成像性能（圖3）。

圖3  成像系統(tǒng)渲染圖像和靈敏度特征

為了進(jìn)一步驗證三維GBM腫瘤血管模型結(jié)合2GMFMT成像系統(tǒng)在研究GBM腫瘤模型方面的潛力,，團(tuán)隊成員基于二維強(qiáng)度區(qū)域比較（圖4）和三維重建體積（圖5）比較【以腫瘤直徑即橫截面積和腫瘤體積作為量化指標(biāo)評估治療效果和疾病復(fù)發(fā)】,，利用2GMFMT、寬場熒光顯微鏡（WFFM）,、LSCM成像方式,，連續(xù)觀測上述打印的腫瘤模型長達(dá)70天,，涵蓋腫瘤生長情況和藥物方案�,？偨Y(jié)來說,，2GMFMT可以以等效或更高的靈敏度收集與當(dāng)前無損成像方式（例如腫瘤面積和熒光強(qiáng)度變化）相同的測量值。此外,，它在三維可視化和在厚而不透明的組織結(jié)構(gòu)中的GBM腫瘤生長的體積監(jiān)測方面具有優(yōu)越的性能,。

圖4 GBM腦腫瘤的縱向強(qiáng)度評價（腫瘤樣品:1）

圖5  GBM腦腫瘤的縱向體積評估

綜上而言，為了在體外實現(xiàn)對GBM腫瘤治療效果的有效評估,，構(gòu)建的模型需要滿足以下4個要求：（1）使用患者來源的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞；（2）可控的三維微環(huán)境,，為三維腫瘤侵襲提供空間和刺激,；（3）長期培養(yǎng)和成像能力；（4）可以縱向檢測厚而不透明組織內(nèi)腫瘤細(xì)胞的無創(chuàng)成像方式,。該團(tuán)隊的研究成果能夠滿足這些要求,，生物打印腫瘤血管模型和2GMFMT成像系統(tǒng)的集成平臺支持比傳統(tǒng)模式更快的采集時間，并最大限度地減少組織損傷,，從而能夠以更高的時間分辨率成功地進(jìn)行腫瘤侵襲的長期監(jiān)測,。并且在藥物治療前后進(jìn)行的GBM腦腫瘤的縱向體積評估顯示了該平臺在建立患者特異性腫瘤模型方面的潛力及其在測試各種治療方案（如化療、放療和多種治療組合）方面的應(yīng)用,。

論文信息：
Ozturk Mehmet S, Lee Vivian K, Zou Hongyan, Friedel Roland H, IntesXavier, Dai Guohao. High-resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastoma tumor model under long-term drug treatment.[J]. Science advances,2020,6(10).
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.aay7513