在與癌癥斗爭的過程中，有沒有一種方法可以先打造“模擬戰(zhàn)場”挑選治療“武器”，確定哪些藥物對患者有效，再讓藥物“上戰(zhàn)場”，實施精準個性化治療？體外腫瘤模型的構(gòu)建有望讓這一設(shè)想成為現(xiàn)實。
日前，清華大學機械系副教授姚睿團隊總結(jié)了將生物3D打印技術(shù)和類器官技術(shù)協(xié)同應(yīng)用于體外腫瘤模型構(gòu)建的策略，并提出這是該領(lǐng)域最具潛力的發(fā)展方向。通過研究整合性類腫瘤模型對于不同藥物的反應(yīng)，可以快速篩選出最精準有效的抗腫瘤藥物，從而有望實現(xiàn)對腫瘤患者的精準治療。相關(guān)研究成果發(fā)表在《細胞》旗下期刊《生物技術(shù)前沿趨勢》上。
體外搭建“模擬戰(zhàn)場”助力腫瘤個性化治療
“武器”選得好不好，關(guān)鍵在于“模擬戰(zhàn)場”有多接近體內(nèi)真實環(huán)境。姚睿介紹，體外構(gòu)建整合性類腫瘤模型，首先要解決的就是仿生問題，要盡可能還原體內(nèi)腫瘤生存的真實情況。
為了實現(xiàn)仿生，需要搞清楚體內(nèi)的腫瘤細胞生活在什么樣的環(huán)境中。首先，腫瘤是基因變異帶來的細胞異常增生。變異不僅發(fā)生在腫瘤發(fā)展初期，更會伴隨著腫瘤演進的全過程。一邊演進，一邊變異。因此，體外模擬的一大目標是盡可能囊括腫瘤演進的各個階段。其次，患者體內(nèi)聚集著大量腫瘤細胞和非腫瘤細胞，細胞間會相互作用，在模擬過程中也需要復(fù)刻這些群體細胞行為。最重要的是，體內(nèi)的腫瘤生存在有機環(huán)境中，有一套復(fù)雜的營養(yǎng)供給、物質(zhì)交換系統(tǒng)，研究人員還需要想辦法模擬這套有機系統(tǒng)。
為了在整合性類腫瘤模型中囊括腫瘤演進的各個階段，姚睿團隊從2013年開始從事基于生物3D打印的體外腫瘤模型構(gòu)建研究，并嘗試將類器官作為基本單元進行生物3D打印操作。類器官是一種與體內(nèi)組織類似、具有穩(wěn)定表型和遺傳學特征，且能夠在體外長期培養(yǎng)的三維細胞復(fù)合體。目前，形成類器官的主要方式是通過細胞的自組裝。類器官技術(shù)能夠突破細胞間單純的物理接觸聯(lián)系，形成更加緊密的細胞間生物通信，使細胞相互作用，協(xié)作發(fā)育并形成具有功能的迷你器官或組織。
傳統(tǒng)生物3D打印的做法，是以單個腫瘤細胞為原材料，讓腫瘤細胞在生物材料中彌散分布，堆疊成三維結(jié)構(gòu)體。然而，真實的腫瘤團內(nèi)存活著性狀各異的腫瘤細胞和非腫瘤細胞，僅用單個腫瘤細胞為原料難以模擬出真實腫瘤團生存的復(fù)雜環(huán)境。如果用類器官作為生物3D打印的基本單元，可以在類器官中保留不同的細胞類型，在模型構(gòu)建上克服細胞同質(zhì)性，更好地還原患者對抗癌藥物反應(yīng)的個性化差異?！拔覀兛梢詫㈩惼鞴僖暈橐粋€完整的小型‘生態(tài)系統(tǒng)’。以類器官作為生物3D打印的基本單元，有利于模擬真實的腫瘤環(huán)境這一大型‘生態(tài)系統(tǒng)’?！闭撐牡谝蛔髡摺⑶迦A大學博士生王曉宇說。
確定好了體外模擬的尺度，還需要解決3D腫瘤模型的物質(zhì)交換問題。在體內(nèi)，這一過程是通過血管等管道來完成的。王曉宇介紹，運用器官芯片技術(shù)，恰好能夠模擬人體內(nèi)管道的功能。器官芯片技術(shù)就是利用微加工技術(shù)，在微流控芯片上制造出能夠模擬人類器官主要功能的仿生系統(tǒng)。除了具有微型化、集成化、低消耗的特點外，器官芯片技術(shù)能夠精確控制化學濃度梯度、流體剪切力等多個系統(tǒng)參數(shù)，構(gòu)建細胞圖形化培養(yǎng)、組織—組織界面與器官—器官相互作用等，從而模擬人體器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、微環(huán)境和生理學功能。但器官芯片技術(shù)目前仍需解決如何實現(xiàn)精準無損檢測和批量穩(wěn)定制備等難題。
三種技術(shù)共同還原體內(nèi)腫瘤生存真實情況
構(gòu)建整合性類腫瘤模型，需要類器官、生物3D打印和器官芯片三種技術(shù)協(xié)同工作。姚睿介紹，一般流程是先在體外構(gòu)建出立體的類器官，把類器官作為基本單元，混在生物材料中構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)體。傳統(tǒng)的類器官構(gòu)建方法中，細胞會緊緊挨在一起，中間的細胞就容易因為缺氧或缺乏營養(yǎng)物質(zhì)而死亡。體內(nèi)的腫瘤很“聰明”，會誘導血管長到自己內(nèi)部來提供養(yǎng)分，但類器官通常缺乏這種機制。而利用生物3D打印可以制造“血管”，通過培養(yǎng)液為類器官提供營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。因此，生物3D打印的方法彌補了類器官技術(shù)的局限性，能夠有效模擬出更像體內(nèi)腫瘤組織的微環(huán)境。
3D打印類器官技術(shù)雖然有效模擬了腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性成分，但與重現(xiàn)體內(nèi)腫瘤演進過程仍有一定距離。這是因為體內(nèi)腫瘤演進過程依賴于腫瘤—免疫互作、多器官相互作用和功能性循環(huán)系統(tǒng)，而這些要素在靜態(tài)培養(yǎng)的腫瘤模型中會被簡化。如果將器官芯片與3D打印結(jié)合，就可以構(gòu)建出具備層級結(jié)構(gòu)的血管網(wǎng)絡(luò)。模擬腫瘤浸潤與外周免疫成分，揭示腫瘤與免疫的相互作用。
器官芯片與3D打印結(jié)合的方式有兩種：一種是先制備芯片的腔室和流道，然后打印生物材料和細胞；另一種是直接用3D打印組裝生物材料、細胞和芯片材料，一體成型。在腫瘤轉(zhuǎn)移的研究中，將兩者結(jié)合能夠通過微循環(huán)系統(tǒng)將原發(fā)腫瘤與潛在的轉(zhuǎn)移區(qū)連接起來，為研究腫瘤轉(zhuǎn)移期間復(fù)雜的多器官相互作用提供可能。
“生物3D打印技術(shù)的加入，提升了整合性類腫瘤模型的穩(wěn)定一致性、結(jié)構(gòu)仿真度和自動化程度?！币︻Ｕf，普通的類器官完全基于細胞的自組裝，有很大的隨機性，這給驗證實驗的可重復(fù)性帶來了挑戰(zhàn)。團隊應(yīng)用工程化的方法構(gòu)建了自動化平臺，提高了整合性類腫瘤模型的構(gòu)建產(chǎn)率。利用生物3D打印技術(shù)，可以在構(gòu)建腫瘤團之前，先在電腦中預(yù)先設(shè)計需要的模型。在建造“房子”的過程中，通過電腦程序控制生物材料、細胞以及其他生物因子的排列組合，可以創(chuàng)造出在關(guān)鍵功能上替代生物器官與組織且具備生物活性的有機體。
“目前，生物3D打印技術(shù)已經(jīng)與自動化培養(yǎng)、無損檢測等技術(shù)融合，能夠自動化完成模型的構(gòu)建、檢測、觀察和結(jié)果分析。例如，在結(jié)果分析階段，可以利用無損成像和AI技術(shù)進行類器官識別和自動分析。自動化不僅帶來了高效率，還大大減少了實驗誤差，提高了實驗的可操作性和可重復(fù)性?！币︻＝榻B。
從實驗室走向臨床應(yīng)用還有多遠
接近體內(nèi)真實環(huán)境的腫瘤類器官模型構(gòu)建好了，但真正要用它來攻克癌癥，仍有很長的一段路要走。
“成本高昂是目前制約整合性類腫瘤模型進一步走向臨床應(yīng)用的一大因素。比起傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)，腫瘤類器官是更為仿生的三維細胞培養(yǎng)，技術(shù)難度更大、資源投入更多。此外，由于細胞在三維結(jié)構(gòu)中增殖速度較慢、培養(yǎng)周期較長，因此維護成本也更高?！币︻＝榻B。
缺乏統(tǒng)一的標準和方法，也是整合性類腫瘤模型臨床應(yīng)用面臨的一大問題。由于新技術(shù)不夠成熟，因此迫切需要標準和方法來評估比較不同實驗室的體外培養(yǎng)結(jié)果，以實現(xiàn)研究結(jié)果的可復(fù)制和可驗證。在臨床應(yīng)用階段，還可能會涉及如何評估合規(guī)性、如何定價、醫(yī)保如何覆蓋等社會問題。
在與癌癥斗爭的道路上，構(gòu)建體外模擬“武器試驗場”，有望幫助人類篩選“武器”，降低藥物開發(fā)成本，提高藥物開發(fā)效率。盡管這一技術(shù)目前還處于起步階段，但其在仿真性和可復(fù)制性上已經(jīng)展現(xiàn)出強大的能力?！翱梢灶A(yù)見，隨著3D打印和類器官技術(shù)的更新迭代，相關(guān)評價標準將日趨完善，臨床應(yīng)用也將逐漸普及。”姚睿認為，通過推動企業(yè)作為創(chuàng)新主體與科研機構(gòu)良性互動，在臨床醫(yī)生、生物學家和工程師的跨學科努力下，這一新技術(shù)惠及癌癥患者或指日可待。
