利用DLP生物打印技术推动肺癌研究
2023-11-27324Advancing lung cancer research
推动肺癌研究
利用DLP生物打印技术构建可灌注的3D模型
肺癌仍然是全球范围内主要的健康问题，其发病率和死亡率持续上升。
尽管临床治疗工具不断增加，许多患者却面临着有限的机会选择比化疗成功率更高的药物。迫切需要发现具有更高疗效、能够延长生存期并对抗耐药性的新药物，这推动了人们努力确定潜在靶点并推进有望的治疗替代方案。
应对肺癌药物开发的挑战
目前的研究通常依赖于二维细胞培养和动物模型，但它们在复制体内肿瘤和人类生理学的复杂性方面存在不足。这导致药物转化用于临床的过程中失败率很高。在经过动物试验的候选药物中，超过92%的候选药物对人类治疗无效，而在临床试验期间的抗癌候选药物中，这一比例增至惊人的97%。
柏林工业大学的Jens Kurreck教授及其团队认识到这一迫切需求，并明确了寻找筛选和测试肺癌新药替代方法的重要性。为了促进新的有效药物的发现，该团队转向生物打印，以开发人类癌症模型，该模型将能够在与现实世界条件非常相似的背景下研究药物的有效性。
“动物模型和人类之间的疾病病因及其潜在机制存在巨大差异。这正是为何我们认为拥有人体器官模型至关重要，而生物打印使我们能够高精度地制造这些模型。” — Jens Kurreck 教授
3D生物打印能够创建具有可定制设计的高度生理相关的3D模型，整合各种人体细胞并调整细胞外环境的刚度。在该项目中，生物打印的一个主要优势是能够包含模拟血管等血管结构的通道。
血管化：模拟自然组织的生理学
血管化在确保人造器官模型紧密模仿自然组织生理学方面发挥着关键作用。血管负责执行供应氧气、营养物质和清除废物等重要任务，而所有这些对于组织和器官的功能至关重要。当缺乏灌注时，细胞会坏死。生物打印在应对这一挑战方面对3D模型的开发做出了重大贡献。
“我们的目标是制造一种易于采用的、具有中央血管通道的肺癌模型。”
制作可灌注的3D肺癌模型
虽然该团队考虑了挤出式生物打印，但Z终他们选择在研究项目中使用CELLINK的LUMEN X 光固化（DLP）生物打印机。这一决定受到生物打印机高分辨率功能和GelMA有效化学交联的影响，使得团队能够创建高度精确且异常稳定的血管结构。
该团队使用由甲基丙烯酸明胶（GelMA）和NSCLC（非小细胞肺癌）细胞系H358组成的生物墨水，通过DLP生物打印技术制作了第一个肺癌模型。打印后，该模型表现出了稳定性和高韧性，与人类肿瘤的情况相一致，因为人类肿瘤通常具有较高的组织硬度。此外，该模型配置有入口和出口，能够建立可灌注系统，促进通过蠕动泵输送营养物和氧气。这种设置可以用于比较在静态和动态条件下培养的3D模型。
Yikun Mei
版权所有：Christian Kielmann
Kurreck 教授团队成员 Yikun Mei 补充道：
“此外，值得一提的是，灌注通过显著增强模型的细胞活力，对细胞模型产生Z直接的影响。毕竟，灌注提供了营养和氧气的持续供应。此外，与基于挤出的打印相比，DLP 打印大大简化了3D打印。您不需要微调各种打印参数，重复测试和调整打印墨水，或维持培养基中的钙离子浓度来维持模型在打印后的状态。”
利用3D生物打印模型重新定义药物测试
研究小组研究了细胞抑制剂吉西他滨在不同条件下的功效，包括在2D细胞培养物、无灌注的受控3D模型（静态）和有灌注的3D模型（动态）中。对照模型在静态条件下培养，周围培养基中含有药物。另一方面，抗癌药物通过灌注模型中的介质流输送，模仿人类患者通过血流输送药物的过程。
实验表明，与2D细胞培养物相比，在静态3D细胞培养物中诱导细胞死亡需要更高的浓度（约高1000倍）。事实上，即使在使用的Z高浓度下，该药物也无法杀死所有细胞。这种差异归因于水凝胶和3D培养物中的细胞形成的致密网络，反映了患者致密肿瘤组织的状况。这种密度常常给抗癌药物渗透到癌组织中带来挑战。
Kurreck教授解释说：“如果你有单层培养物，所有细胞都与药物直接接触，所以你需要较低浓度的药物。相反，在生物器官或肿瘤中，事物排列在三维空间中，然后药物必须通过 ECM 扩散。它必须通过其他细胞，这就是为什么你需要更高浓度的药物。”
动态条件下的药物测试
在动态条件下在3D模型中进行灌注实验清楚地说明了两个重要发现：首先，灌注增强了长期培养期间的细胞活力；其次，与3D静态模型相比，在此设置中药物的功效得到了提高。这些结果展示了将脉管系统纳入3D模型的重要性。
总体而言，在动态条件下在3D培养中观察到的细胞抑制影响，与在2D培养中观察到的癌症药物的高功效相比，更接近于人类患者中观察到的生物学情况。
用于广泛可重复性的3D肺癌模型
该团队开发的模型可以很容易地被肺癌研究领域的其他团队采用，使得模型更易于使用，正如 Kurreck 教授向我们解释的那样：
“现有文献中有一些优秀的模型。然而，它们是使用专用打印机创建的，这使得其他人很难访问和复制研究成果。我们的目标是传播知识并使广大受众能够接触到这些知识。”
推动药物测试以促进临床转化
“ Z终，关键是确定哪种方法（基于人类的模型或基于动物的模型）可以提供卓越的预测能力。我们相信，基于人体系统的3D模型虽然与整个生物体不同，但对人类患者具有显著的预测潜力，特别是在器官和癌症模型的背景下。通过继续我们的合作努力和推进人体系统，我们可以实现更高水平的可翻译性，从而造福人类患者。”
该团队的目标是在灌注生物打印的器官模型中开始测试药物库，以便能够选择新的药物。此外，他们希望结合各种细胞类型，这一直是 DLP 生物打印的限制，直到Z近在 BIONOVA X 上发布的“高级模式”。另一个可以通过多材料 DLP 打印实现的重要步骤是区分候选药物是否对癌细胞具有高特异性毒性，而对健康细胞没有高特异性毒性。
与CELLINK的合作伙伴关系
柏林工业大学团队于2016年购买了他们的第一台生物打印机，此后扩大了他们的产品系列，包括全系列的生物打印机，如INKREDIBLE+、 BIO X 、 BIO X6和LUMEN X型号。在项目期间，他们与CELLINK保持着密切的合作关系。
拥抱生物打印和协作的力量
“与在生物打印领域经验丰富的人联系总是有益的。例如，我们与来自奥地利的另一个团队合作，协助他们获取生物打印实际方面的第一手经验和见解。”
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Mei, Y., Wu, D., Berg, J., Tolksdorf, B., Roehrs, V., Kurreck, A., Hiller, T., et al. (2023). Generation of a Perfusable 3D Lung Cancer Model by Digital Light Processing. International Journal of Molecular Sciences, 24(7), 6071. MDPI AG.
检索自https://dx.doi.org/10.3390/ijms24076071
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