3D打印纖維結(jié)構(gòu)在癌癥中的重要性及其對生物材料模型設(shè)計的影響

來源： EFL生物3D打印與生物制造

改善臨床反應(yīng)預(yù)測的需求正在推動具有增強生理相關(guān)性的癌癥模型的發(fā)展,。當(dāng)前，一個新的“精準(zhǔn)生物材料”概念正在浮現(xiàn),，它包括模擬患者的生物材料模型,，這些模型旨在通過精確復(fù)制關(guān)鍵的微環(huán)境特征來準(zhǔn)確地檢測、治療和模擬癌癥,。盡管最近的進展允許在體外復(fù)制組織類似的硬度和分子組成,，但復(fù)制腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中發(fā)現(xiàn)的3D纖維結(jié)構(gòu)的方法仍然相對未經(jīng)探索。

來自英國諾丁漢大學(xué)的J. C. Ashworth團隊與來自澳大利亞加文醫(yī)學(xué)研究所的T. R. Cox團隊合作總結(jié)了已知的腫瘤纖維結(jié)構(gòu)的作用,，強調(diào)了它們在細(xì)胞-基質(zhì)相互作用以及最終的臨床結(jié)果中的影響,。本文探討了在體外復(fù)制特定組織的3D纖維結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，突出了相關(guān)的生物材料制造技術(shù)及其優(yōu)勢和局限性,。最后,，討論了成像和圖像分析技術(shù)（聚焦于針對膠原蛋白I優(yōu)化的方法），這可能是將特定于腫瘤的ECM映射到高保真生物材料模型的關(guān)鍵,。本研究團隊預(yù)計,，一個跨學(xué)科的方法，結(jié)合材料科學(xué),、癌癥研究和圖像分析,，將闡明3D纖維結(jié)構(gòu)在腫瘤發(fā)展中的作用，從而引領(lǐng)下一代模擬患者的模型,，用于機制研究和藥物發(fā)現(xiàn),。相關(guān)工作以題為“The importance of 3D fibre architecture in cancer and implications for biomaterial model design”的綜述文章發(fā)表在2024年06月17日的期刊《Nature reviews cancer》。  

盡管目前已經(jīng)有大量的研究集中在設(shè)計具有組織真實硬度的生物材料上,，但復(fù)制癌癥基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜3D纖維結(jié)構(gòu)在一個高保真的可擴展生物材料模型中仍然是一個未滿足的挑戰(zhàn),。雖然具有控制成分的模型通常專注于改變單個或少量ECM（細(xì)胞外基質(zhì)）成分的相對比例，但它們復(fù)制原生組織中發(fā)現(xiàn)的特定纖維圖案,、方向和特征尺寸的潛力相對來說還未被探索,。這部分受到了腫瘤中ECM結(jié)構(gòu)巨大異質(zhì)性的阻礙。本綜述解決了這一知識空白,，強調(diào)了這種組織真實的生物材料模型對纖維結(jié)構(gòu)的需求,，討論了其設(shè)計和制造所涉及的挑戰(zhàn)，并概述了目前用于體外復(fù)制特定組織3D纖維網(wǎng)絡(luò)的尖端技術(shù),。本文強調(diào)需要多學(xué)科方法來設(shè)計下一代精準(zhǔn)組織模型,，將材料科學(xué)中的新創(chuàng)新與先進的顯微鏡技術(shù)和圖像分析技術(shù)相結(jié)合（圖1）。本文將“纖維”定義為生物材料或組織內(nèi)的任何細(xì)長結(jié)構(gòu)單元,，包括由ECM蛋白和合成物質(zhì)組成的那些,。

圖1 設(shè)計和制造具有組織匹配的3D纖維結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)生物材料的方法

【3D纖維結(jié)構(gòu)在癌癥中的作用】

細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）大致可分為兩個組成部分：間質(zhì)基質(zhì)和基底膜。在正常,、非病變的組織中,，ECM經(jīng)歷持續(xù)的重塑,，但這一過程在癌癥中變得失調(diào)，導(dǎo)致ECM沉積和降解的變化,。在癌癥中觀察到間質(zhì)基質(zhì)和基底膜的重塑,，例如，基底膜的喪失會破壞頂-底極性,，使上皮細(xì)胞與間質(zhì)基質(zhì)接觸,。

在最早研究纖維組織與患者預(yù)后之間聯(lián)系的開創(chuàng)性工作中主要的焦點是乳腺癌。長期以來,，人們已經(jīng)認(rèn)識到,，與基質(zhì)蛋白增加相關(guān)的乳房X線密度是與乳腺癌發(fā)病最強烈的獨立風(fēng)險因素之一。最近,，來自高乳房X線密度區(qū)域的組織被發(fā)現(xiàn)長,、排列整齊的纖維狀膠原束的普遍存在增加了，而不是與無定形膠原的水平有關(guān),。在一項里程碑式的研究中,，使用二次諧波成像顯微鏡對人乳腺癌的活檢組織切片進行了成像，并根據(jù)腫瘤邊界處膠原纖維的存在和排列對其進行了分類,，定義了一組與腫瘤相關(guān)的膠原特征（TACS）,。在乳腺癌的小鼠模型中，將TACS級別從TACS-1增加到TACS-3,，代表了從早期到晚期腫瘤發(fā)生的轉(zhuǎn)變,，這與局部細(xì)胞定向侵襲的增加相對應(yīng)。在臨床樣本中,，TACS-3評分也是一個與疾病特異性和無病生存率差的獨立預(yù)后因素,。最近的研究表明，腫瘤在大長度尺度上具有高度異質(zhì)性結(jié)構(gòu),。通過考慮離腫瘤邊界更遠(yuǎn)的膠原結(jié)構(gòu)的其他類別,，可能會提高TACS評分的預(yù)后價值。

類似于TACS特異性纖維組織的特征也可以在其他腫瘤中觀察到,，包括胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）,。在這里，代表侵襲通道的TACS-3樣結(jié)構(gòu)不僅存在于早期癌前病變中,，也存在于更晚期的疾病中,。結(jié)合KPC小鼠模型中早期癌癥細(xì)胞擴散的證據(jù)，這表明TACS評分可能比使用標(biāo)準(zhǔn)組織學(xué)更能區(qū)分疾病進展,。在其他腫瘤類型中,，隨著疾病進展，3D膠原排列的其他方面也有所不同,，但相關(guān)分類尚不明確,。例如,，在卵巢癌中，膠原纖維比正常組織更為卷曲（圖2c）,，但膠原排列的整體變化不太明確,，且在患者之間和內(nèi)部高度異質(zhì)性。在基底細(xì)胞癌（BCC）中,，膠原纖維排列的影響也很復(fù)雜,，與正常組織和良性病變相比,，BCC樣本中的排列增加,。矛盾的是，與其他膠原纖維而不是腫瘤邊界相比,，高度排列的束與最不具侵襲性的BCC亞型相關(guān),，與之前討論的TACS評分相反。重要的是,，這項研究強調(diào)平行組織的膠原束仍然是BCC的有效標(biāo)志物,，而不是單個膠原纖維的參數(shù)（即寬度、長度,、角度和直線度）,。除了密度和排列之外，纖維特性在許多情況下也具有臨床相關(guān)性：例如,，圍導(dǎo)管膠原纖維厚度增加已與PDAC患者的低生存率聯(lián)系起來（圖2b）,。另一項最近的研究發(fā)現(xiàn)，纖維“直度”增加是指示非小細(xì)胞肺癌存在的一個潛在診斷標(biāo)志,。有趣的是,，高纖維寬度和低纖維排列也與不良生存率相關(guān)，但僅在肺腺癌中,，這凸顯了需要針對特定疾病考慮不同纖維架構(gòu)的作用（圖2f）,。   

圖2 在不同來源的癌癥中的纖維結(jié)構(gòu)顯示出與各種結(jié)果的相關(guān)性   

【控制3D纖維結(jié)構(gòu)的生物材料方法】

盡管先前已經(jīng)廣泛討論了在癌癥研究中使用的許多不同的聚合物生物材料，但在本文關(guān)注的是如何開發(fā)和應(yīng)用生物材料模型來研究與組織特異性3D纖維結(jié)構(gòu)相關(guān)的癌癥進展機制（圖1b及圖3）,。因為關(guān)于特定基質(zhì)微結(jié)構(gòu)如何改變腫瘤進展仍有許多未知,，通常采用簡化的方法，即小心且穩(wěn)健地模仿少量基質(zhì)參數(shù),，而不是復(fù)制在腫瘤中觀察到的全部復(fù)雜性（圖1a）,。然而，必須注意到,，旨在提出明確問題的簡化方法與準(zhǔn)確復(fù)制組織復(fù)雜性之間存在一種微妙的平衡,。

水凝膠被定義為具有高含水量特征的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖3）。這些通常被細(xì)分為天然來源或合成水凝膠（圖3）,。Matrigel可以說是最著名的天然來源水凝膠的例子,，它已廣泛應(yīng)用于腫瘤生長,、侵襲和血管生成測定，最近還用于建立患者來源的類器官的“活體生物庫”,。Matrigel是從Engelbreth-Holm–Swarm（EHS）小鼠腫瘤中提取的幾種商業(yè)可用水凝膠產(chǎn)品之一,，被稱為基底膜提取物。然而,，由于Matrigel的動物來源性質(zhì)導(dǎo)致批次間的變異性和成分定義不明確,，最近人們推動了更多定義明確的替代品的研究。

天然來源的水凝膠還可以包括膠原,、藻酸鹽,、明膠和透明質(zhì)酸。在某些情況下,，為了交聯(lián),，會加入合成組分或官能團，在這種情況下,，水凝膠可能被視為“混合材料”,。同樣，使用主要合成材料制造的水凝膠在癌癥研究中有重要應(yīng)用,。特別是,，開創(chuàng)性的工作已經(jīng)證明了聚乙二醇（PEG）作為Matrigel的替代品，成功擴展了小鼠和人源性腸類器官的應(yīng)用,。這些基于PEG的凝膠可以通過添加全長ECM蛋白,、聚糖或ECM模擬肽序列進行功能化，進一步增強了系統(tǒng)的多功能性,。同樣,，由自組裝肽制成的合成水凝膠可以使用全長ECM蛋白和聚糖進行修飾。

鑒于其能夠模仿腫瘤微環(huán)境的關(guān)鍵特征,，將水凝膠用于3D癌癥建模是一種流行的方法,。這包括能夠在生理相關(guān)范圍內(nèi)控制機械性質(zhì)如硬度和粘彈性的能力，如其他地方所綜述的,。在某些情況下,，與天然來源的基質(zhì)相比，合成系統(tǒng)可以提供對機械性質(zhì)的更優(yōu)控制,，特別是PEG凝膠的情況,，它們也可以設(shè)計成具有機械動態(tài)性。這種合成系統(tǒng)還避免了天然來源水凝膠常見的可重復(fù)性問題,，并使得相對成本有效地結(jié)合生物活性配體成為可能,。然而，可以說,，天然ECM考慮到了單個蛋白上多個結(jié)合位點的可能性,，以及可能在癌變組織中看到的替代ECM異構(gòu)體,，例如那些來自剪接變體的結(jié)果。   

圖3 通過生物材料制造控制纖維結(jié)構(gòu)的方法

【指導(dǎo)組織特異性模型設(shè)計】

盡管上一節(jié)中總結(jié)的技術(shù)的最終目標(biāo)是產(chǎn)生能夠再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境關(guān)鍵特征的3D模型,，但實現(xiàn)這一目標(biāo)需要對組織特異性纖維架構(gòu)有詳細(xì)的了解,。此外，盡管某些纖維特性與臨床結(jié)果相關(guān)聯(lián),，但使用生物材料完全復(fù)制腫瘤纖維結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn),。本文強調(diào)了有潛力準(zhǔn)確映射腫瘤ECM的技術(shù)，它能夠促進向組織模擬生物材料設(shè)計的轉(zhuǎn)化（圖1）,。   

生物材料設(shè)計的可擴展性和可重復(fù)性也可以通過使用3D打印模板或模具來增強,。例如，一種簡單但創(chuàng)新的控制膠原排列的方法是使用3D可打印的楔形物,，將涂有膠原的蓋玻片傾斜到一個受控的程度,，依靠重力在產(chǎn)生的膠原基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生可重復(fù)的排列,。同樣,，學(xué)者們創(chuàng)建了一個模塊化的、可3D打印的系統(tǒng),，用于制造應(yīng)用于冰模板的熱梯度,，這可以在不需要專門設(shè)備的情況下采用。另一項研究從乳腺癌的SHG圖像中參數(shù)化了膠原纖維方向的梯度,，并使用微流體系統(tǒng)在膠原凝膠中再現(xiàn)它們,，該系統(tǒng)具有故意設(shè)計的可重復(fù)性，以允許其他研究實驗室使用,。

【總結(jié)與展望】

當(dāng)前,，生物材料和3D圖像表征領(lǐng)域的研究正在快速發(fā)展，即將進入一個階段,，在這個階段中,，可以廣泛利用精確的腫瘤纖維架構(gòu)模型。盡管已經(jīng)可以獲得具有受控硬度和ECM組成的模型,，但增加生物學(xué)上現(xiàn)實的纖維組織將增強組織真實模型的設(shè)計,，這將影響基礎(chǔ)科學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)。本文建議,，未來可以通過詳細(xì)的組織成像和纖維網(wǎng)絡(luò)參數(shù)化來指導(dǎo)高級生物材料的設(shè)計制造,，這些生物材料具有組織真實的結(jié)構(gòu)，然后對生物材料結(jié)構(gòu)本身進行成像,，以使其與原始組織相關(guān)聯(lián),。隨著允許3D建筑控制的這類生物材料技術(shù)的出現(xiàn)，很快將有可能闡明,、功能性測試并驗證ECM組織在癌癥發(fā)展,、藥物反應(yīng)和最終患者結(jié)果中的關(guān)鍵作用,。此外，組織特異性生物材料可以幫助預(yù)測治療效果,，最終有助于患者分層,，以提高治療成功的可能性。

此外,，這些先進的生物材料也可能在精準(zhǔn)醫(yī)療中有潛在應(yīng)用,。最近的研究已將生物材料模型應(yīng)用于來自乳腺癌和胰腺癌患者的患者來源材料的擴展和培養(yǎng)，控制ECM硬度,、組成和纖維排列,。基于主要是無動物源的生物材料技術(shù),，這些方法可以替代,、減少和改進如Matrigel等試劑的使用，用于維持和擴展患者來源的類器官,。此外,，基于組織組成和結(jié)構(gòu)的聯(lián)合分析來工程化患者特異性生物材料是一個有前景的方法。開發(fā)Raman和質(zhì)譜成像方法用于ECM組成的空間映射,，結(jié)合新的3D圖案化生物材料功能化技術(shù),，可能會實現(xiàn)在高度先進的精準(zhǔn)生物材料中對ECM纖維結(jié)構(gòu)和組成的聯(lián)合空間控制。盡管該領(lǐng)域仍有關(guān)鍵性問題有待解決,，但這種精準(zhǔn)生物材料的未來應(yīng)用非常有希望改善癌癥結(jié)果,。通過材料科學(xué)家、癌癥研究人員以及組織成像和分析專家的跨學(xué)科團隊的協(xié)同努力,，曾經(jīng)遙不可及的患者特異性藥物篩選方法的目標(biāo)正在穩(wěn)步推進,。   

文章來源：         
https://doi.org/10.1038/s41568-024-00704-8