浙江大學馬梁等 | 基于生物3D打印的體外腫瘤模型構建

來源：EngineeringForLife

2020年，Liang Ma，Yuting Li以及Yutong Wu等人，在Bio-Design and Manufacturing上發(fā)表了題為：The construction of in vitro tumor models based on 3D bioprinting的文章。


本綜述論文重點關注了目前生物3D打印技術在體外腫瘤模型構建方面的應用。隨著3D打印技術在生物醫(yī)學領域的普及與發(fā)展，結構復雜、成分多樣的人工組織，尤其是異質多細胞/材料組織的體外模型的出現(xiàn)為多種疾病的分子生物學研究和各類藥物的研發(fā)與篩選提供了可靠的應用平臺。本文簡要概括了常見的生物3D打印策略和生物墨水的設計，聚焦于不同結構的體外腫瘤模型及其特點，并提出了未來展望。

癌癥的特征是高死亡率，復雜的分子機制和昂貴的療法。腫瘤的微環(huán)境由多種生化線索組成，腫瘤細胞、基質細胞和細胞外基質之間的相互作用在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、血管生成、侵襲和轉移中起著關鍵作用。為了更好地了解腫瘤的生物學特征并揭示針對癌癥的治療方法的關鍵因素，建立體外腫瘤模型可以重現(xiàn)腫瘤發(fā)展的各個階段，并模擬體內腫瘤行為，對實現(xiàn)高效且針對患者特異性的藥物篩選和生物學研究具有重要意義。由于缺乏構建復雜結構和血管生成的潛力，構建腫瘤模型的傳統(tǒng)組織工程方法通常無法模擬腫瘤發(fā)展的后期階段。在過去的幾十年中，生物3D打印技術已逐漸在腫瘤微環(huán)境構建中得到應用，可精確控制腫瘤相關細胞和細胞外基質成分的組成并組織良好的空間分布。生物3D打印技術可以以高分辨率和高通量地建立具有多尺度，復雜結構，多種生物材料和血管網(wǎng)絡的腫瘤模型，成為生物制造和醫(yī)學研究中的多功能平臺。根據(jù)模型的結構，體外腫瘤模型可以分為以下四種類型：

類型一：無支架結構的體外腫瘤模型
與平面2D培養(yǎng)環(huán)境相比，3D環(huán)境中的腫瘤及其基質細胞通常能夠表現(xiàn)出更接近體內實際情況的行為特性及藥物反應。由各類生物墨水與細胞組成的無支架結構腫瘤模型能夠建立起三維的腫瘤微環(huán)境，為探究各細胞間相互作用及藥篩等研究提供高通量的實驗模型。

圖1 無支架結構的體外腫瘤模型

類型二：纖維結構的體外腫瘤模型
此類模型多數(shù)由擠出式生物3D打印技術所構建，結合同軸打印技術，可對不同種類的生物墨水與細胞進行殼-核結構的分層空間設計，進行細胞共培養(yǎng)及相互作用研究，也可便捷地構造血管結構，為體外腫瘤組織提供更加真實且復雜的微環(huán)境模型。

圖2 纖維結構的體外腫瘤模型

類型三：網(wǎng)狀支架結構的體外腫瘤模型
由于單層及多層網(wǎng)狀支架結構的腫瘤模型通常易于構建，通用性強，所以此類結構常常被應用于各種生物墨水與細胞類型的打印中。雖然網(wǎng)格結構模型的簡化方式與功能評價標準有待進一步規(guī)范和完善，但此類模型構建效率較高且利于保持模型內細胞的活性與表型，具有較大的應用及優(yōu)化潛力。

圖3 網(wǎng)狀支架結構的體外腫瘤模型

類型四：生物打印的體外腫瘤芯片
近年來隨著生物3D打印技術的發(fā)展與制造工藝的進步，器官芯片的應用可極大地提高體外組織結構模型的復雜性，腫瘤芯片的設計可具備更接近體內真實情況的腫瘤微環(huán)境的組分和分布，以概括體內各種生理活動和對藥物或環(huán)境刺激的反應，在個性化抗癌治療與藥物開發(fā)中發(fā)揮巨大的價值。

圖4 生物打印的體外腫瘤芯片

體外腫瘤模型構建研究展望
生物3D打印技術與制造工藝的提高，以及生物墨水的優(yōu)化對保持模型內細胞活性、表型和功能等特性具有重大意義。與此同時，多材料多打印策略的融合也為構建更加復雜的體外組織器官模型提供了可能。體外生物系統(tǒng)的功能評價體系與整體構建流程的標準化規(guī)范化設計，使得體外組織器官模型在生物醫(yī)學領域的進一步發(fā)展和應用具有廣闊的前景。

文章來源：
https://doi.org/10.1007/s42242-020-00068-6