当今的癌症治疗方法主要是通过体外细胞培养和动物模型进行药物筛选和评估。然而，这些方法存在一些局限性，例如细胞培养无法模拟肿瘤微环境的复杂性，而动物模型则存在种类差异和伦理问题。因此，研究人员一直在寻找更好的方法来模拟肿瘤微环境并评估药物疗效。
今天，小学社要为大家推荐一篇最新前沿文章，本文提出了一种创新的技术——三维生物打印血管化肺癌类器官模型，该技术可以更好地模拟肿瘤微环境。该模型包括患者来源的肺癌类器官（LCO）、肺成纤维细胞和使用3D生物打印技术的可灌注血管，预计该方法可用于肺癌（LC）伴纤维化患者的靶向治疗开发或生物标志物鉴定。
肺癌(LC)是全球最常见的致命恶性肿瘤之一，非小细胞肺癌的5年生存率极低。然而，现有的治疗方法并不完全有效，这是因为LC微环境的复杂性和患者的遗传特征影响了药物的反应。传统的细胞培养模型无法完全模拟LC的发展和转移过程，这导致了药物评估和治疗方案的不准确性。因此，我们需要一种能够在体外重现LC的遗传和环境特征的模型，以便更准确地评估药物的反应。
在这项研究中，研究人员使用3D生物打印技术成功构建了一个高度仿真的LC模型，这有助于更好地模拟LC的生长和转移过程，为LC治疗提供更精确的药物评估和治疗方案。
选取合适的细胞和生物材料构建3D生物打印LC模型。
使用3D生物打印技术将LC细胞、肺成纤维细胞和肺源性脱细胞化细胞外基质（LudECM）生物材料打印成一个高度仿真的LC模型。
对构建的LC模型进行了生物学特性分析以验证模型的可靠性和仿真度。
使用构建的LC模型进行了药物评估和治疗方案的研究。
1. 研究 LudECM 水凝胶的生物化学和生物物理特性
本研究介绍了组织来源的脱细胞ECM的特点和应用。ECM含有多种成分，可以影响局部细胞行为。研究者们成功地开发了猪肺组织的脱细胞方案，并制备了LudECM水凝胶来复制肺组织特异性ECM成分。生化和组织学分析表明，LudECM水凝胶成功地保留了ECM的重要成分。此外，LudECM水凝胶具有纤维结构和孔隙，有助于细胞间的相互作用和形态发生，并促进氧气、营养物质和代谢产物的运输。凝胶动力学分析表明，LudECM水凝胶具有稳定的复合模量。这种猪LudECM水凝胶可以成为类器官形成和长期维持的理想选择。优化的脱细胞过程对ECM的组成和物理特性的保持非常关键（图1）。
图1
2. LudECM与Matrigel蛋白组成的比较
该研究比较分析了LudECM和Matrigel的蛋白谱，发现LudECM中包含与Matrigel不同的肺特异性ECM成分。LudECM中最丰富的蛋白包括胶原和糖蛋白，而Matrigel中主要是糖蛋白。LudECM中的层粘连蛋白-521亚型在调节干细胞增殖和组织稳态相关的信号通路中起重要作用。分析还发现LudECM与癌症进展和发育相关的信号通路有关。两种材料之间重叠的基质蛋白主要参与细胞粘附、迁移、分化和ECM-细胞相互作用。因此，LudECM可以更好地反映肺组织微环境，并可能在癌症的发展中发挥作用。这些发现揭示了LudECM在癌症生物学研究和治疗策略开发方面的潜在价值（图2）。
图2
3. 在LudECM中培养的LCO的组织病理学和分子特征的保存以及突变指纹图谱
该研究验证了LudECM中的特定ECM信号对LCO的发展具有积极的作用。和在Matrigel中培养的LCO相比，LudECM中的LCO增殖速度较慢，但在4天后开始迅速增长。此外，LudECM上生长的LCO的形态和大小与Matrigel上的LCO相似。活细胞比例方面，Matrigel和LudECM之间没有显著差异。研究的LCO来自于原始的腺癌组织，Matrigel和LudECM都能保留LCO的腺癌表型及其组织学特征，且LudECM中的LCO保留了原始癌组织的遗传变异。此外，在Matrigel和LudECM中，LC细胞标记物的蛋白表达水平没有明显差异。总之，这些结果表明，富含肺组织特异性ECM成分的LudECM支持LCO的生长，同时保留了原始癌组织的组织学、分子和遗传特性（图3）。
图3
4. 通过患者源性LCOs 和 iLFs 之间的串联，重现TME纤维化
研究人员使用IPF患者产生的IPF衍生的肺成纤维细胞（iLF）模拟细胞源性纤维化环境，发现iLF具有增强的胶原形成能力和细胞因子分泌能力，并能通过细胞间相互作用调节ECM重塑。研究结果显示，LudECM比Matrigel更适合iLF产生胶原蛋白，可能有助于癌症模型发展和潜在治疗方法的研究。此外，研究还发现LudECM比Matrigel在刺激细胞功能和IL-6分泌方面更优越，并且在增强基质细胞增殖和刺激细胞功能方面也更具优势。LCO包埋在Matrigel和LudECM中并与iLF共培养，观察发现LudECM中iLF和LCO之间有更多直接接触，对LCO的生长和基因表达变化产生影响。通过研究发现，iLF对LCO有旁分泌作用，并可能影响多种与癌症发生、进展和耐药性相关的途径。因此，LudECM可用于更准确评估药物反应，提供类似于实际癌症微环境的串扰作用（图4）。
图4
5. 评估有基础疾病的 LCO 患者对对EGFR-TKIs的反应性
本研究通过生成抗癌药物的剂量-反应曲线，并在LCO中评估了它们的适用性。结果显示，针对患者LC组织中特定基因突变的药物表现出不同的反应。尤其是在纤维化存在的情况下，LCO显示出对敏感药物抗性增强。研究还发现了与纤维化LCO抗药性增加相关的信号通路的激活。因此，细胞间相互作用对药物响应性产生了影响。实验结果强调了材料组成和TME特性的再现对于准确评估药物反应的重要性（图5）。
图5
6. 生物打印血管化LCO模型，实现更好的药物测试响应
研究利用TME仿生生物墨水和3D生物打印技术制备血管化LCO模型，其在多细胞水平上复制血管灌注系统、组织-组织界面和组织特异性结构特征方面具有优势。首先，使用PEVA打印出一个用于培养LCOs-iLFs-ECs的腔室。然后，使用明胶打印出类似血管的形状，并在血管周围打印含有ilf的生物墨水，然后去除明胶。将iLF在LudECM中培养一天，然后将内皮细胞（EC）植入血管中去除明胶的部分。在血管细胞稳定一天后，LCO最终被打印在血管周围的成纤维细胞区域。通过实验观察到成纤维细胞与LCO之间的积极融合，并发现血管化LCO模型中的增殖细胞数量高于非血管化LCOs模型。通过药物扩散实验发现，血管化LCO模型中的血管转运情况受到EC和iLF的存在的影响。总体而言，血管化的LCO模型可以为癌症治疗药物的研究提供有价值的见解（图6）。
图6
癌症治疗是全球的健康挑战，科学知识转化为临床治疗是关键。PDO是一种有潜力的模型，可以更好地预测药物反应和个体化治疗。在这项研究中，研究人员开发了一种血管化的LC模型，结合了基质细胞和LudECM水凝胶，以更准确地模拟肿瘤微环境。通过使用3D生物打印技术，他们将基质细胞和血管组分与PDO结合在一起，从而提供了更准确的药物筛选和治疗发现。这项研究有助于我们更好地了解癌症的发展，并最终指导临床决策。同时，这种方法预计也将会被更多的应用于其他实体癌症的纤维化建模。
参考文献
Choi YM, Lee H, Ann M, Song M, Rheey J, Jang J. 3D bioprinted vascularized lung cancer organoid models with underlying disease capable of more precise drug evaluation. Biofabrication. 2023 Jun 6;15(3). doi: 10.1088/1758-5090/acd95f. PMID: 37236168.
来源：类器官学社
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