美國大學教授利用3D打印技術推進癌癥研究

來源：中關村在線

美國弗吉尼亞聯邦大學（VCU）人文與科學學院的一名助理教授利用3D打印技術制造出了腫瘤細胞的活體模型，這可能使癌癥研究人員能夠更好地了解疾病的進展。

VCU的博士、助理教授Daeha Joung發(fā)明了構建腫瘤構造的新穎方法。這種新技術可以精確地放置和控制活細胞，更有效地模仿癌癥傳播的關鍵步驟。這種方法可以讓VCU的Massey癌癥中心的研究人員最大限度地研究癌細胞的生長，并評估抗癌免疫毒素的效果。

助理教授Joung表示，這種新穎的技術可以用于癌癥藥物的試驗。圖片來源：VCU

從2D打印技術在癌癥研究中的發(fā)展
來自德國歐洲分子生物學實驗室的研究人員在2018年12月的研究中發(fā)現，2D結構難以準確復制原生腫瘤微環(huán)境的特征。研究發(fā)現，3D細胞培養(yǎng)物可以建立細胞間的相互作用，可以更好地模仿真實組織的特異性，這樣做的速度更快，表現出更復雜的行為。

然而，Joung認為，由于腫瘤細胞的運動受各種化學信號的調節(jié)，腫瘤的轉移性仍然是目前模型的主要預后和治療挑戰(zhàn)。因此，需要一個更精確的模型，將腫瘤微環(huán)境中的這些元素納入其中，并能夠研究發(fā)生在身體遠處的多層次相互作用。"已經開發(fā)了許多策略來克服這些障礙，但并不完全成功，"Joung解釋道。"我可以利用物理學、納米技術和工程來克服這些障礙，并提供了一個獨特的見解，可能為癌癥的新治療方案打開了大門。"

Joung的方法通過使用3D生物打印和受折紙啟發(fā)的自折疊技術來創(chuàng)建復雜的多材料、多尺度和多功能的3D結構，解決了這些限制。這使得活體細胞和支持性基質的眾多組合可以在精確的空間控制下整合，從而實現了具有良好的生物醫(yī)學應用前景的組織工程化。

3D打印的微膠囊如何工作的可視化演示 圖片來自VCU

制造3D打印的細胞控制膠囊
3D打印的刺激反應膠囊使Joung能夠控制這些結構中的細胞。含有一個水核，以及功能分子因子和質子金納米棒（AuNRs）的有效載荷，這些微觀的膠囊允許在3D基質中觸發(fā)釋放化學線索。一旦使用激光輻射激活，Joung能夠在局部水平上操縱細胞行為。當這一點與3D細胞打印結合在一起時，它允許創(chuàng)建復雜的腫瘤構建體，這些構建體使用多路化學信號進行控制。

為了展示膠囊的空間控制，Joung打印了一個包含不同體積的核心陣列，通過部署UV激光可以精確地觸發(fā)這些核心。利用3D打印技術，Joung能夠在相同的條件下平行測試五組遷移樣品。這種方法還允許他在必要時添加材料，并對所生產的細胞進行定制，以顯示不同的行為。

作為該技術的成果，Massey的科學家們將能夠向Joung提供癌癥組織樣本，然后規(guī)定他們需要制造的特定設計或腫瘤結構。然后，利用機器人機構和定制的3D打印技術，Joung將調整被復制和打印的細胞類型的數量和具體配置。

而這又可以使未來的研究人員能夠篩選出新型的抗癌藥物，并測試針對患者的診斷和治療策略。"從工程的角度來看，癌癥是癌癥，所以我的實驗室可以制造出許多不同類型的腫瘤組織仿制物。"Joung說。"如果有人對肺癌感興趣，我們可以打印出肺癌細胞。如果有人對乳腺癌細胞感興趣，我們也可以打印出那些細胞，"他補充說。

Joung的野心是設計出先進的3D系統(tǒng)的綜合平臺，應用于癌癥神經再生模型，為測試治療疾病的治療方案開辟了新的機會。

利用Jiang的方法，梅西中心的研究人員可以測試治療癌癥的治療方案。圖片來源：VCU的梅西中心

3D打印的抗癌方法
來自其他學術機構的科學家和研究人員也利用3D打印技術創(chuàng)建了活體3D細胞模型，目的是為了更好地了解和治療癌性腫瘤。2020年4月，來自美國和德國的研究人員提出了一種研究膠質母細胞瘤（GBM）的新方法，膠質母細胞瘤是一種侵襲性的腦癌類型。他們使用了一系列以灌注血管通道為特征的人類腦細胞和生物材料，實現了長期培養(yǎng)和給藥。三維成像技術被總結用于組織構建物的無創(chuàng)評估。

新西蘭懷卡托大學的一名碩士生在2018年8月宣布，她計劃在設計出3D打印的塑料腫瘤模型后，利用真實細胞生長和測試癌癥腫瘤。這些生物打印的模型的基礎是一系列類似于乳腺癌腫瘤的手掌大小的網狀半球。

來自比利時Katholieke大學魯汶分校和印度海得拉巴德理工學院的研究人員在2017年6月發(fā)布了研究報告，調查了3D打印如何用于癌癥研究。雖然這兩篇論文都強調了利用3D打印創(chuàng)造微環(huán)境的潛力，但印度研究人員提出了能夠精確放置細胞并在體內復制腫瘤微環(huán)境的可能性。

研究人員的研究結果詳見于他們題為 "3D生物打印的體外轉移模型通過重建腫瘤微環(huán)境 "的論文，該論文發(fā)表在《先進材料》雜志上，由Fanben Meng、Carolyn M. Meyer、Daeha Joung、Daniel A. Vallera、Michael C. McAlpine和Angela Panoskaltsis-Mortari共同撰寫。