清華大學(xué)的熊卓、張婷和方永聰教授：基于衛(wèi)星在軌打印三維腫瘤模型

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太空三維（3D）生物打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精確仿生腫瘤模型構(gòu)建,，用于評(píng)估空間環(huán)境對(duì)腫瘤的復(fù)合影響,，進(jìn)而深入了解疾病進(jìn)展和相關(guān)治療策略。目前太空三維生物打印面臨一些困難,，如發(fā)射前的不確定性,、液體可能泄漏、太空中如何長(zhǎng)期培養(yǎng),、設(shè)備自動(dòng)控制,、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)取＝���,，�?lái)自清華大學(xué)的熊卓,、張婷和方永聰教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了基于衛(wèi)星在軌打印三維腫瘤模型的相關(guān)研究。研究成果以“Satellite-Based On-Orbit Printing of 3D Tumor Models”為題于12月25日發(fā)表在《Advanced Materials》上,。

本文開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,、體積小、重量輕（<6千克）的新型太空三維生物打印設(shè)備,�,；�于微凝膠的雙相熱敏生物墨水和懸浮介質(zhì)，可支持復(fù)雜腫瘤模型的在軌打印和原位培養(yǎng),。此外,，本文還開(kāi)發(fā)了一種智能控制算法，能夠自動(dòng)控制三維打印,、自動(dòng)對(duì)焦,、熒光成像和數(shù)據(jù)地面?zhèn)鬏敗１狙芯繛槭状瓮ㄟ^(guò)衛(wèi)星在太空中實(shí)現(xiàn)腫瘤模型在軌打印,，其形態(tài)穩(wěn)定，存活率適中,。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，三維腫瘤模型在太空中比在地球上對(duì)抗腫瘤藥物更敏感,。本研究為太空三維生物打印開(kāi)辟一條新途徑，為未來(lái)太空生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究提供新的可能性,。

本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)描述：
1. 太空三維生物打印設(shè)備開(kāi)發(fā)
2. 適用于太空環(huán)境的功能性MBT生物墨水
3. 適合太空環(huán)境的多功能MBT懸浮介質(zhì)
4. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自動(dòng)對(duì)焦算法
5. 復(fù)雜腫瘤模型在軌三維打印
6. 抗腫瘤藥物檢測(cè)

圖1 實(shí)驗(yàn)流程及機(jī)制示意圖

本文開(kāi)發(fā)了一種小型和自動(dòng)化的空間三維生物打印設(shè)備,，體積小（220毫米×250毫米×150毫米）,，重量輕（≈6千克）,，適用于無(wú)人衛(wèi)星平臺(tái)（圖1）。所開(kāi)發(fā)的設(shè)備可自動(dòng)控制三維打印,、自動(dòng)對(duì)焦和熒光成像,，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量保證和及時(shí)反饋。此外,，本文開(kāi)發(fā)了一種嵌入式打印策略,，支持在軌三維打印和復(fù)雜模型的長(zhǎng)期培養(yǎng)�,；�于微凝膠的雙熱敏（MBT）生物墨水和懸浮介質(zhì),，具有優(yōu)異的存儲(chǔ)性能和抗泄漏性，可適應(yīng)潛在的發(fā)射延遲和振動(dòng),。研究人員在低地軌道衛(wèi)星上成功實(shí)現(xiàn)復(fù)雜腫瘤模型的在軌打印,，其形態(tài)穩(wěn)定，細(xì)胞存活率適中,。本文還證明三維腫瘤模型在太空比在地球上對(duì)抗腫瘤藥物更敏感,，將加速未來(lái)太空腫瘤生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究。

圖2 用于在軌太空3D生物打印設(shè)備

受限于目前火箭發(fā)射高昂成本及衛(wèi)星有效載荷體積和重量限制,，太空生物打印設(shè)備必須非常緊湊,、輕便且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。因此,，研究人員開(kāi)發(fā)了一種尺寸僅為220毫米×250毫米×150毫米,、重量?jī)H為6千克的太空生物打印設(shè)備，用于在軌打印復(fù)雜腫瘤模型,。太空生物打印裝置主要由三維打印模塊,、生物模組、顯微鏡模塊和控制模塊組成（圖2A）,。三維打印模塊主要由兩個(gè)裝滿生物墨水的注射器和一個(gè)與加熱片相連的硅絕緣體組成,。生物模塊由兩個(gè)大室（體積：1.2±0.2mL）和八個(gè)小室（體積：0.4±0.1mL）組成，大室中裝有用于嵌入打印的懸浮培養(yǎng)基,，小室中裝有用于研究空間腫瘤模型藥物反應(yīng)的癌癥組裝體和培養(yǎng)基,。生物模塊安裝在可加熱的上下平臺(tái)上，而打印模塊則安裝在XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,，旁邊是一個(gè)由電機(jī)控制的注射器活塞,，用于將含有細(xì)胞的生物墨水?dāng)D壓成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),。生物模塊與三維打印模塊相連，并通過(guò)乳膠軟膜密封（圖2D）,，軟膜的厚度經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化,。在打印模塊和生物模塊的外壁安裝了溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)不同模塊溫度變化,。在整個(gè)在軌打印和培養(yǎng)過(guò)程中,，打印模塊和生物模塊的外部溫度分別保持在21±2和32±2°C。因此,，打印過(guò)程中MBT生物墨水和懸浮介質(zhì)的實(shí)際溫度分別保持在32±2℃和35±2℃,。在地球上的反復(fù)測(cè)試表明，內(nèi)部和外部組件之間的溫差是恒定的,。衛(wèi)星進(jìn)入軌道后,，打印模塊和生物模塊在控制模塊的驅(qū)動(dòng)下加熱到設(shè)定溫度，然后該設(shè)備通過(guò)三維打印模塊對(duì)腫瘤模型進(jìn)行在軌三維打�,。▓D2E）,。打印完成后，顯微鏡模塊自動(dòng)捕捉生物樣本的明視野和熒光圖像,，并將其傳輸?shù)叫l(wèi)星,，然后再傳輸?shù)降孛妫▓D2F）。在火箭發(fā)射過(guò)程中設(shè)備可能會(huì)經(jīng)歷劇烈振動(dòng),，持續(xù)時(shí)間約為一分鐘,，因此需要高強(qiáng)度和剛度。本文對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,，確保有效載荷裝置既堅(jiān)固又輕巧,。總之,，本研究設(shè)計(jì)出了一種緊湊,、集成、可靠的裝置,，能夠進(jìn)行在軌三維打印,、觀測(cè)和培養(yǎng)，為未來(lái)太空實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ),。

圖3 MBT懸浮介質(zhì)的設(shè)計(jì)和表征

考慮到在衛(wèi)星中無(wú)人操作和傳統(tǒng)擠壓式三維生物打印的固有局限性,，原位培養(yǎng)過(guò)程通常很難進(jìn)行灌注。主要因?yàn)樵谝后w灌注過(guò)程中,，氣液界面容易產(chǎn)生大量氣泡,。因此，研究人員開(kāi)發(fā)了一種嵌入式三維生物打印策略，利用一種懸浮培養(yǎng)基既能三維打印MBT生物墨水,，又能原位培養(yǎng)打印出的腫瘤模型（圖3A）,。MBT懸浮培養(yǎng)基由分散相GelMA凝膠和連續(xù)相明膠及透明質(zhì)酸（HA）復(fù)合材料組成,。結(jié)果表明,，MBT懸浮培養(yǎng)基可用于高保真打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖3B）。熒光成像顯示,，MBT懸浮介質(zhì)主要由類似于MBT生物墨水的微凝膠組成,。流變測(cè)試表明，MBT懸浮介質(zhì)具有剪切稀化和自愈合特性（圖3C）,，有利于嵌入式打印,。對(duì)嵌入打印的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量測(cè)量表明，絲的寬度和間距受打印溫度影響不大（圖3D,、E）,，表明MBT懸浮介質(zhì)具有較寬的打印溫度范圍。雖然微顆粒大大降低MBT懸浮介質(zhì)的不透明度,，但嵌入打印結(jié)構(gòu)的輪廓仍清晰可見(jiàn),。研究人員還打印了人體解剖結(jié)構(gòu)（如人的支氣管和心臟，圖3F）和帶有懸臂的結(jié)構(gòu)（如垂直的TH管,，圖3G）,，用于展示打印能力。使用傳統(tǒng)的擠壓打印方法很難打印出具有懸臂和薄壁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)造物,。由于明膠的存在,，MBT懸浮介質(zhì)在加熱階段的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變點(diǎn)為35°C，在冷卻階段的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點(diǎn)為20°C,。將MBT懸浮培養(yǎng)基注入生物模塊后,，在4℃下迅速凝固。凝膠化后,，MBT懸浮介質(zhì)即使倒置也不會(huì)在容器內(nèi)流動(dòng),。采取這種預(yù)防措施是為了防止MBT懸浮介質(zhì)在半開(kāi)放艙內(nèi)泄漏，在火箭發(fā)射過(guò)程中的劇烈振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致這種泄漏發(fā)生,。在37℃的MBT懸浮培養(yǎng)基中培養(yǎng)的打印構(gòu)建體在72小時(shí)內(nèi)保持較高的細(xì)胞活力,。以上結(jié)果表明，MBT懸浮培養(yǎng)基可支持復(fù)雜構(gòu)建物在30-37°C下嵌入打印和原位培養(yǎng),，同時(shí)在4°C-25°C下經(jīng)受長(zhǎng)途運(yùn)輸而不會(huì)發(fā)生泄漏,。

圖4 空間環(huán)境影響癌細(xì)胞對(duì)順鉑的反應(yīng)

接著本文研究了太空環(huán)境中肺癌細(xì)胞對(duì)化療藥物的反應(yīng)。有報(bào)道稱微重力可調(diào)節(jié)化療藥物的作用,，但這些研究都是在二維培養(yǎng)條件下使用微重力模擬裝置進(jìn)行的,，因此得出的結(jié)論并不完全可靠。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)生物模塊，其中有一個(gè)裝有順鉑敏感和順鉑抗性H460/CAF癌細(xì)胞組裝體的8孔室,。該癌細(xì)胞組裝體是評(píng)估藥物抗腫瘤能力的最佳三維腫瘤模型,。敏感組和耐藥組都接受不同劑量的順鉑治療。通過(guò)液滴微流體技術(shù),，使用GFP標(biāo)記的H460癌細(xì)胞和Dil標(biāo)記的CAF生成直徑200μm的癌細(xì)胞組裝體,。為增強(qiáng)聚焦效果，將癌細(xì)胞組裝體嵌入薄層GelMA水凝膠中,，然后進(jìn)行光交聯(lián),，使其附著在培養(yǎng)室底部。熒光染色（圖4C）和組織學(xué)染色（圖4D,E）顯示,，培養(yǎng)一周的癌細(xì)胞組裝體發(fā)育成腫瘤組織樣結(jié)構(gòu),，腫瘤實(shí)質(zhì)和基質(zhì)成分圍繞著實(shí)質(zhì)癌細(xì)胞，與體內(nèi)腫瘤組織相似,。為研究太空環(huán)境對(duì)腫瘤對(duì)藥物治療反應(yīng)的影響,，在地面和太空同時(shí)捕獲明視野和熒光圖像。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，順鉑耐藥組和順鉑敏感組在空間環(huán)境給藥36小時(shí)后都出現(xiàn)明顯反應(yīng),。在太空中比在地球上更加迅速和敏感（圖4F）。太空環(huán)境中的耐藥組比藥物敏感組對(duì)順鉑的耐藥性更強(qiáng)（圖4G-J）,。本研究結(jié)果表明,，空間微重力環(huán)境可能會(huì)大大提高細(xì)胞對(duì)化療藥物的反應(yīng)性，從而使耐藥細(xì)胞更容易進(jìn)行抗腫瘤治療,。這一發(fā)現(xiàn)為解決腫瘤耐藥性問(wèn)題提供一種新方法,。要確定空間輻射和微重力對(duì)腫瘤治療敏感性的不同影響，還需要進(jìn)一步的研究,。研究人員計(jì)劃不久將來(lái)在中國(guó)空間站上進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。

總結(jié)與展望
總之，本文開(kāi)發(fā)了一種新型適用于太空的生物打印設(shè)備,，可以在太空中打印和培養(yǎng)三維腫瘤模型,。研究結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的MBT生物墨水和MBT懸浮培養(yǎng)基能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)打印三維腫瘤模型,，并能在軌道上實(shí)現(xiàn)形態(tài)穩(wěn)定,、細(xì)胞活力適中的培養(yǎng)。本文在衛(wèi)星上對(duì)多功能實(shí)驗(yàn)裝置和太空生物打印技術(shù)成功進(jìn)行了在軌驗(yàn)證,，標(biāo)志著太空三維生物打印技術(shù)的發(fā)展邁出重要一步,，為加速太空生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展提供新的機(jī)遇。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1002/adma.202309618