運用生物3D打印建立高度異質性的膠質母細胞瘤微環(huán)境

來源：BioArt生物藝術

膠質母細胞瘤是致死性最高的惡性腫瘤之一，嚴重威脅人類的健康。膠質母細胞瘤具有高度異質性，其腫瘤微環(huán)境是一個包含腫瘤細胞，巨噬細胞，以及多種體細胞的高異質性動態(tài)系統(tǒng)。膠質瘤細胞與微環(huán)境中的其他細胞產生復雜的相互作用，其中巨噬細胞和小膠質細胞占腫瘤組織的30%-50%，對腫瘤的發(fā)生，發(fā)展和轉移有重要影響。

現有的體外模型在重建微環(huán)境的異質性和材料的仿真性上有其局限性，而體內模型雖然形成復雜的微環(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物，也限制了對腫瘤細胞與巨噬細胞的重要相互作用進行深入研究。體外人源類器官模型在一定程度上解決了異質性的問題，但其重復性和量化性仍有待改善。

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

2020年6月4日，加州大學圣地亞哥分校Jeremy Rich教授，Shaochen Chen教授，西湖大學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。

他們運用數字光處理3D生物打印技術和透明質酸（HA）衍生材料，將膠質母細胞瘤干細胞（GSC），巨噬細胞、星形膠質細胞和神經前體細胞（NPC）按照健康組織包圍腫瘤組織的結構分布，建立了3D膠質母細胞瘤微環(huán)境體外模型。

依靠生物打印建立的3D體外模型有高重復性、高通量、可控性，可用于研究腫瘤微環(huán)境中免疫反應及巨噬細胞對腫瘤生發(fā)轉移的影響；3D模型中的GSC的轉錄譜可用于預測患者的生存和對藥物的敏感性；此模型還可作為全基因組CRISPR-Cas9篩選平臺，用于發(fā)現特定于3D多細胞微環(huán)境中的依賴性和潛在癌癥驅動基因。


該研究中設計了兩種3D模型，NPC和星形膠質細胞打印在外圍模擬健康腦組織；tri-culture模型中，腫瘤部分由GSC或單核細胞（巨噬細胞前體）構成；tetra-culture模型的腫瘤部分包括了GSC和巨噬細胞（或單核細胞）（圖1）。

圖1：生物3D打印GBM模型流程及模型的明場、熒光圖。

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

圖2：（左）GSC在懸浮培養(yǎng)和3D模型中的轉錄譜有顯著差異。（右）未誘導分化的單核細胞在3D微環(huán)境中極化成促進腫瘤的M2表型，M2相關標記CD163和IL10表達顯著增加，M1相關標記TNF-a和NOS2沒有顯著變化。

通過比較懸浮培養(yǎng)，含巨噬細胞，和不含巨噬細胞的3D模型中GSC的藥物反應和腫瘤浸潤程度，發(fā)現GSC在3D培養(yǎng)中耐藥性更強，巨噬細胞增強GSC耐藥性，并且促進了GSC轉移（圖3）。

圖3：（左）GSC在懸浮培養(yǎng)，3D tri-culture，3D tetra-culture中對EGFR抑制劑及temozolomide藥物的反應。（右）GSC（綠）和巨噬細胞（紅）在tri-culture和tetra-culture中的熒光示意圖，巨噬細胞增強了GSC轉移。

作者進一步使用全基因組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)實驗和小鼠體內成瘤驗證了這些靶點的可靠性。

總結一下，該研究報道了一個可控、可重復、可量化的3D打印膠質母細胞瘤微環(huán)境模型，它更精確的模擬了腫瘤微環(huán)境中的細胞高異質性、細胞相互作用、腦和腫瘤微環(huán)境的ECM成分，可用于研究巨噬細胞對腫瘤的影響，顯示了巨噬細胞前體在3D腫瘤微環(huán)境中能夠自發(fā)向促進腫瘤的表型極化。提供了一個在體外高通量研究腫瘤微環(huán)境的平臺，可用于發(fā)現針對腫瘤的潛在靶點。

幕后花絮謝琦：該項學科交叉合作源起于一作們之間的一次干細胞培養(yǎng)基借用，再往上溯源，得益于SD(圣地亞哥) 500人學術交流群，前后幾任群主悉心維護，經常組織線下學術交流報告，思想碰撞，促成了無數合作，取得了眾多成果。筆者在SD只有短短2年，卻通過這樣的學術交流活動認識了很多志同道合的朋友，從他們身上學習良多，拓寬了自己將來的研究方向�；貒�后之所以入職西湖大學，很重要的一個原因也是因為這里特別鼓勵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)。我也時常鼓勵自己的學生，要和學校的其他實驗室開展交流，不妨從互借東西開始，說不定你的下個合作者此時正在向你借培養(yǎng)基的路上。

參考文獻
1. Mischel, P.S. and T.F. Cloughesy, Targeted molecular therapy of GBM.Brain Pathol, 2003. 13(1): p. 52-61.
2. Polyak, K., I. Haviv, and I.G. Campbell, Co-evolution of tumor cells and their microenvironment.Trends Genet, 2009. 25(1): p. 30-8.
3. Rossi, G., A. Manfrin, and M.P. Lutolf, Progress and potential in organoid research.Nat Rev Genet, 2018. 19(11): p. 671-687.