揭示介導細胞外基質調節的3D生物打印乳腺癌模型
時間：2024-09-30 14:39 來源：EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次
乳腺癌是全球女性中最常見的癌癥之一，其治療抵抗性是導致患者死亡的主要原因。腫瘤微環境（TME）在乳腺癌的發展和治療抵抗中扮演著關鍵角色，但是，由于缺乏能夠準確模擬腫瘤微環境四維動態的模型，對乳腺癌治療抵抗機制的深入理解受到了限制。傳統的2D細胞培養和體內模型由于缺乏復雜性和三維結構組織，無法充分模擬人類病理生理，導致許多在臨床前試驗中表現良好的藥物候選物在臨床應用中失敗。因此，開發新的三維（3D）模型，特別是利用生物打印技術創建的模型，對于更好地理解腫瘤微環境和評估新療法的有效性至關重要。
波爾多大學Hugo Oliveira團隊使用微擠出生物打印技術，能夠可靠地生成包含與人類病理相關的細胞的不同癌癥和基質區域的模型。所創建的模型展示了低氧癌癥核心和表面增殖增加的發展，以及癌癥相關成纖維細胞（CAF）誘導的微血管樣結構復雜性的增加。這些變化與細胞外基質（ECM）重塑同時發生，CAF通過沉積高水平的膠原蛋白和基質細胞蛋白，同時增加腫瘤剛度，模擬乳腺癌纖維化發展。
1.主要內容
圖1 微擠壓生物打印可重復性地生產毫米大小的乳腺癌模型，具有不同的癌癥和基質區域
通過微擠出生物打印技術成功生產的毫米級乳腺癌模型（BpBCM），該模型具有明確的癌癥中心和基質外圍區域。癌癥中心由MCF-7 GFP+（綠色）細胞組成，而基質外圍則由HUVEC mKate+（紅色）細胞構成。通過生物打印過程，這些細胞被封裝在特定的生物墨水中，并按照設計的步驟逐層沉積，形成了具有空間組織結構的腫瘤模型。圖中還展示了生物打印后4小時的模型熒光成像，以及癌癥中心和基質外圍輪廓的檢測和分布，證明了生物打印方法能夠可靠地再現具有預期幾何形狀和細胞分布的乳腺癌模型。
圖2 BpBCM腫瘤中心形成了一個表面增生的壞死樣缺氧核心
利用生物打印的乳腺癌模型（BpBCM）在培養過程中癌癥中心區域發展出類似壞死的低氧核心，而表面區域則顯示出增殖活性。通過活細胞（綠色）和死細胞（紅色）的染色，可以觀察到模型在培養第1天和第7天時細胞存活和死亡的分布情況。隨著時間的推移，模型中心區域的細胞活力下降，形成了壞死核心，而表面區域的細胞則表現出較高的增殖率。此外，通過HRE-dUnaG低氧報告基因的表達分析，證實了模型中心區域低氧環境的形成，并且與表面區域的增殖活性形成了對比。這些結果表明，BpBCM能夠模擬腫瘤微環境中的氧氣梯度和細胞行為的變化。
圖3 BpBCM基質室有利于癌細胞和微血管結構的隨時間的成熟
如圖3所示，揭示了基質細胞，特別是癌癥相關成纖維細胞（CAF），在生物打印的乳腺癌模型（BpBCM）中對癌癥細胞成熟和微血管結構發展的影響。通過免疫染色和3D網絡分析，研究者發現CAF的存在顯著增加了微血管樣結構的復雜性，表現為血管總長度、體積和分支點數量的增加。此外，CAF還通過分泌特定的蛋白質和酶，如膠原蛋白和基質金屬蛋白酶（MMPs），促進了細胞外基質（ECM）的重塑，從而影響了BpBCM的機械性質和癌癥細胞的行為。這些發現強調了CAF在腫瘤微環境中的重要作用，并指出了它們在癌癥進展和治療反應中的潛在調節作用。
圖4 CAF重塑ECM蛋白組成和力學性能
通過質譜分析，研究者發現CAF在模型成熟過程中顯著改變了ECM的蛋白質組成，特別是增加了膠原蛋白、層粘連蛋白和基質細胞蛋白的沉積。原子力顯微鏡（AFM）的力譜測量進一步證實了CAF存在時，模型基質的剛度顯著增加，這與CAF在乳腺癌纖維化發展中的作用一致。這些結果強調了CAF在腫瘤微環境中對ECM重塑和力學性質調控的重要作用，以及這些變化如何影響腫瘤的生物學行為。
圖5 在CAF存在的情況下，BpBCM對放療的反應受到調節
與正常乳腺成纖維細胞（NMF）相比，CAF的存在顯著影響了模型對放療的響應，表現為在CAF條件下放療后模型體積減小和增殖率增加不明顯。此外，通過細胞因子陣列分析，揭示了CAF和NMF條件下分泌組的差異，特別是CAF在放療后分泌了更高水平的與腫瘤進展相關的細胞因子，如CXCL-1。這些結果表明CAF在腫瘤微環境中可能通過調節細胞因子的分泌和改變腫瘤的力學性質來促進放療抗性，強調了CAF在乳腺癌治療中作為潛在治療靶點的重要性。
2.全文總結
本文通過3D生物打印技術成功創建了一個乳腺癌模型（BpBCM），該模型能夠模擬人類病理中的癌癥和基質區域，展示了癌癥相關成纖維細胞（CAF）在腫瘤微環境（TME）中的關鍵作用。研究揭示了CAF在促進腫瘤核心低氧區域發展、增加微血管結構復雜性、重塑細胞外基質（ECM）以及調節腫瘤剛度方面的重要性。此外，該模型還證明了CAF在癌癥細胞對放療反應中的保護作用，以及它們在調節治療后腫瘤微環境中細胞因子分泌的變化。這些發現強調了CAF在乳腺癌治療抗性中的作用，并為開發針對腫瘤微環境的新型治療策略提供了有價值的信息。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.08.037
(責任編輯：admin)
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