運(yùn)用生物3D打印建立高度異質(zhì)性的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境

來源：BioArt生物藝術(shù)

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是致死性最高的惡性腫瘤之一,，嚴(yán)重威脅人類的健康,。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤具有高度異質(zhì)性，其腫瘤微環(huán)境是一個(gè)包含腫瘤細(xì)胞，巨噬細(xì)胞,，以及多種體細(xì)胞的高異質(zhì)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。膠質(zhì)瘤細(xì)胞與微環(huán)境中的其他細(xì)胞產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用,，其中巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞占腫瘤組織的30%-50%,，對(duì)腫瘤的發(fā)生，發(fā)展和轉(zhuǎn)移有重要影響,。

現(xiàn)有的體外模型在重建微環(huán)境的異質(zhì)性和材料的仿真性上有其局限性,，而體內(nèi)模型雖然形成復(fù)雜的微環(huán)境，但建立人源腫瘤異種移植模型（PDX）需要使用免疫缺陷動(dòng)物,，也限制了對(duì)腫瘤細(xì)胞與巨噬細(xì)胞的重要相互作用進(jìn)行深入研究,。體外人源類器官模型在一定程度上解決了異質(zhì)性的問題，但其重復(fù)性和量化性仍有待改善,。

使用與腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）匹配的生物材料,，來建立包含多種細(xì)胞的高通量、高重復(fù)性的體外模型,，將有助于研究和發(fā)現(xiàn)潛在的癌癥驅(qū)動(dòng)基因和他們發(fā)揮作用的機(jī)制,，從而為建立有效的靶向治療提供方向,。

2020年6月4日，加州大學(xué)圣地亞哥分校Jeremy Rich教授,，Shaochen Chen教授,，西湖大學(xué)謝琦研究員作為共同通訊作者（UCSD納米工程系博士研究生湯忞為排名第一的第一作者）合作在Cell Research雜志上發(fā)表了題為Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments for modeling cellular dependencies and immune interactions的研究論文。

他們運(yùn)用數(shù)字光處理3D生物打印技術(shù)和透明質(zhì)酸（HA）衍生材料,，將膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞（GSC）,，巨噬細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)前體細(xì)胞（NPC）按照健康組織包圍腫瘤組織的結(jié)構(gòu)分布,，建立了3D膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境體外模型,。

依靠生物打印建立的3D體外模型有高重復(fù)性、高通量,、可控性,，可用于研究腫瘤微環(huán)境中免疫反應(yīng)及巨噬細(xì)胞對(duì)腫瘤生發(fā)轉(zhuǎn)移的影響；3D模型中的GSC的轉(zhuǎn)錄譜可用于預(yù)測(cè)患者的生存和對(duì)藥物的敏感性,；此模型還可作為全基因組CRISPR-Cas9篩選平臺(tái),，用于發(fā)現(xiàn)特定于3D多細(xì)胞微環(huán)境中的依賴性和潛在癌癥驅(qū)動(dòng)基因。


該研究中設(shè)計(jì)了兩種3D模型,，NPC和星形膠質(zhì)細(xì)胞打印在外圍模擬健康腦組織,；tri-culture模型中，腫瘤部分由GSC或單核細(xì)胞（巨噬細(xì)胞前體）構(gòu)成,；tetra-culture模型的腫瘤部分包括了GSC和巨噬細(xì)胞（或單核細(xì)胞）（圖1）,。

圖1：生物3D打印GBM模型流程及模型的明場(chǎng)、熒光圖,。

通過比較懸浮培養(yǎng),，含GSC和不含GSC的3D模型中的單核細(xì)胞的基因表達(dá)和轉(zhuǎn)錄譜，顯示含有GSC的3D腫瘤微環(huán)境促進(jìn)單核細(xì)胞向M2表型極化,，M2表型能夠促進(jìn)腫瘤發(fā)展（圖2）,。

圖2：（左）GSC在懸浮培養(yǎng)和3D模型中的轉(zhuǎn)錄譜有顯著差異。（右）未誘導(dǎo)分化的單核細(xì)胞在3D微環(huán)境中極化成促進(jìn)腫瘤的M2表型,，M2相關(guān)標(biāo)記CD163和IL10表達(dá)顯著增加,，M1相關(guān)標(biāo)記TNF-a和NOS2沒有顯著變化。

通過比較懸浮培養(yǎng),，含巨噬細(xì)胞,，和不含巨噬細(xì)胞的3D模型中GSC的藥物反應(yīng)和腫瘤浸潤程度，發(fā)現(xiàn)GSC在3D培養(yǎng)中耐藥性更強(qiáng),，巨噬細(xì)胞增強(qiáng)GSC耐藥性,，并且促進(jìn)了GSC轉(zhuǎn)移（圖3）。

圖3：（左）GSC在懸浮培養(yǎng)，3D tri-culture,，3D tetra-culture中對(duì)EGFR抑制劑及temozolomide藥物的反應(yīng),。（右）GSC（綠）和巨噬細(xì)胞（紅）在tri-culture和tetra-culture中的熒光示意圖，巨噬細(xì)胞增強(qiáng)了GSC轉(zhuǎn)移,。

作者進(jìn)一步使用全基因組CRISPR-Cas9基因敲除文庫篩選出3D 腫瘤微環(huán)境中依賴性顯著的基因,，并通過體外GSC成球培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和小鼠體內(nèi)成瘤驗(yàn)證了這些靶點(diǎn)的可靠性。

總結(jié)一下,，該研究報(bào)道了一個(gè)可控,、可重復(fù)、可量化的3D打印膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境模型,，它更精確的模擬了腫瘤微環(huán)境中的細(xì)胞高異質(zhì)性,、細(xì)胞相互作用、腦和腫瘤微環(huán)境的ECM成分,，可用于研究巨噬細(xì)胞對(duì)腫瘤的影響,，顯示了巨噬細(xì)胞前體在3D腫瘤微環(huán)境中能夠自發(fā)向促進(jìn)腫瘤的表型極化。提供了一個(gè)在體外高通量研究腫瘤微環(huán)境的平臺(tái),，可用于發(fā)現(xiàn)針對(duì)腫瘤的潛在靶點(diǎn),。

幕后花絮謝琦：該項(xiàng)學(xué)科交叉合作源起于一作們之間的一次干細(xì)胞培養(yǎng)基借用，再往上溯源,，得益于SD(圣地亞哥) 500人學(xué)術(shù)交流群，前后幾任群主悉心維護(hù),，經(jīng)常組織線下學(xué)術(shù)交流報(bào)告,，思想碰撞，促成了無數(shù)合作,，取得了眾多成果,。筆者在SD只有短短2年，卻通過這樣的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)認(rèn)識(shí)了很多志同道合的朋友,，從他們身上學(xué)習(xí)良多,，拓寬了自己將來的研究方向�,；貒�后之所以入職西湖大學(xué),，很重要的一個(gè)原因也是因?yàn)檫@里特別鼓勵(lì)和支持各種形式的交流和合作，讓我能夠始終保持在SD那些年形成的開放和合作心態(tài),。我也時(shí)常鼓勵(lì)自己的學(xué)生,，要和學(xué)校的其他實(shí)驗(yàn)室開展交流，不妨從互借東西開始,，說不定你的下個(gè)合作者此時(shí)正在向你借培養(yǎng)基的路上,。

參考文獻(xiàn)
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