香港城市大學(xué)：仿生構(gòu)建3D腫瘤微環(huán)境的研究進(jìn)展

來(lái)源： EngineeringForLife

癌癥作為全球第二大死因嚴(yán)重威脅著人類(lèi)健康,。據(jù)美國(guó)癌癥協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020年全球癌癥新發(fā)病人數(shù)1.93千萬(wàn)例,，死亡病人數(shù)1千萬(wàn)例,。如此高的發(fā)病率和死亡率使得開(kāi)發(fā)更加有效的癌癥治療方法更為迫切。盡管近年來(lái)在建立體外腫瘤模型方面的努力推動(dòng)了抗癌藥物的發(fā)現(xiàn)和我們對(duì)癌癥生物學(xué)的認(rèn)識(shí),，但目前大多數(shù)的體外模型仍處于“概念驗(yàn)證”階段,，難以完全復(fù)制體內(nèi)腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性，缺乏預(yù)測(cè)性,，臨床轉(zhuǎn)化程度較低,。該缺陷也成為限制臨床前抗癌藥物開(kāi)發(fā)的主要瓶頸之一。

近年來(lái)組織工程技術(shù)和微加工方法的革新使得開(kāi)發(fā)能夠重建體內(nèi)腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物反應(yīng)的新一代體外臨床前模型成為可能,。近日,，來(lái)自香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系暨董氏生物醫(yī)學(xué)中心、香港城市大學(xué)福田研究院精準(zhǔn)診療技術(shù)研究部的楊夢(mèng)甦教授團(tuán)隊(duì),，從腫瘤球,、類(lèi)器官和腫瘤芯片三個(gè)方向全面綜述了其制備方法以及在重構(gòu)體內(nèi)腫瘤微環(huán)境、藥物篩選和個(gè)性化醫(yī)療方面的應(yīng)用（圖1）,。相關(guān)論文以“Three-dimensional Biomimetic Models to Reconstitute Tumor Microenvironment In Vitro: Spheroids, Organoids, and Tumor-on-a-chip”為題于2023年3月14日在線發(fā)表于國(guó)際期刊《Advanced Healthcare Materials》上,。

圖1 模擬體內(nèi)腫瘤微環(huán)境的策略：腫瘤球、類(lèi)器官和腫瘤芯片,。

首先,，腫瘤微環(huán)境（TME）是一個(gè)由細(xì)胞組分和非細(xì)胞組分構(gòu)成的非常復(fù)雜且持續(xù)變化的體系 （圖2）。它不僅在腫瘤的發(fā)生,、發(fā)展和轉(zhuǎn)移發(fā)揮著重要作用且會(huì)嚴(yán)重影響腫瘤的治療,。例如，環(huán)境介導(dǎo)的耐藥性是癌細(xì)胞與其鄰近組織之間持續(xù)相互作用的結(jié)果,。這也說(shuō)明在體外建立一個(gè)能夠充分模擬TME中腫瘤細(xì)胞和周?chē)�的基質(zhì)間的動(dòng)態(tài)作用的模型是非常必要的,。因此作者簡(jiǎn)要介紹了細(xì)胞組分（血管內(nèi)皮細(xì)胞,、正常/腫瘤相關(guān)的成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞）和非細(xì)胞組分（細(xì)胞外基質(zhì)、缺氧環(huán)境和間隙流）在腫瘤發(fā)展過(guò)程中的作用及其對(duì)腫瘤治療的影響,。

圖2 TME的組成

其次,，作者綜述了重建TME的不同工程方法：（1）腫瘤球（圖3）；（2）類(lèi)器官（圖4）,；（3）腫瘤芯片（圖5）,，并詳細(xì)討論了他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)、制備方法以及在癌癥領(lǐng)域的應(yīng)用,。同時(shí)強(qiáng)調(diào)了多種工程方法的聯(lián)合使用可以更好地模擬TME并最大限度地揭示腫瘤發(fā)展機(jī)理和促進(jìn)新藥的研發(fā),。

圖3 腫瘤球模型

圖4 類(lèi)器官模型

圖5 腫瘤芯片模型

最后，作者從多學(xué)科的角度概述了仿生3D腫瘤模型的潛在發(fā)展方向,。（1）腫瘤血管在腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移過(guò)程中起著重要作用,，因此在預(yù)測(cè)藥物療效時(shí)應(yīng)考慮腫瘤血管。（2）應(yīng)考慮具有組織特異性ECM成分和動(dòng)態(tài)可調(diào)力學(xué)性能的原生TME,。（3）患者之間和患者內(nèi)部的高度異質(zhì)性導(dǎo)致不同患者對(duì)同一癌癥治療方法的反應(yīng)存在很大的變異性,，因此需要使用患者來(lái)源的細(xì)胞或多功能干細(xì)胞（iPSC）來(lái)源的細(xì)胞來(lái)模擬TME。（4）為了更充分地復(fù)制人類(lèi)TME,，體外模型需要包含大部分TME必要的組分,，但這通常會(huì)犧牲模型的保真度和通量，因此針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,，需要在自動(dòng)化和復(fù)雜性之間尋找平衡,。（5）建立多器官芯片。多器官芯片可用于研究腫瘤轉(zhuǎn)移和其他器官之間的相互作用,，但目前開(kāi)發(fā)適用于多器官的通用培養(yǎng)基仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn),。
楊夢(mèng)甦教授現(xiàn)任香港城市大學(xué)副校長(zhǎng)（研究及科技）、楊建文冠名講座教授（生物醫(yī)學(xué)）,、以及董氏生物醫(yī)學(xué)中心主任,。他的團(tuán)隊(duì)在生物芯片技術(shù)和納米生物技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用方面進(jìn)行了系統(tǒng)性和原創(chuàng)性的工作，迄今在國(guó)際期刊共發(fā)表300多篇同行評(píng)審科學(xué)論文,、獲得33項(xiàng)美國(guó)及中國(guó)專(zhuān)利,，并應(yīng)邀在150多個(gè)國(guó)際會(huì)議和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)發(fā)表演講。根據(jù)2020年至2022年史丹福大學(xué)的排名指標(biāo),，楊教授獲評(píng)為論文被高度引用的全球排名前2%科學(xué)家,。他指導(dǎo)了逾40位博士畢業(yè)生及30多位博士后研究員，亦先后參與創(chuàng)辦了生物科技公司港龍生物,、Prenetics及晶準(zhǔn)醫(yī)學(xué),。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202202609