生物3D打印多成分陣列模擬膠質母細胞瘤腫瘤內異質性用于藥物評估
在生物打印領域，利用微擠出技術構建體外模型時，小體積水凝膠墨水易因擴散和蒸發導致打印分辨率下降、細胞活性降低，且難以在單一系統中實現高通量數據產出，限制了對腫瘤內異質性等復雜生物場景的模擬。來自韓國科學技術院（KAIST）的Je-Kyun Park教授團隊開發了一種基于多生物墨水打印和氣溶膠交聯技術的微擠出生物打印方法，通過在打印過程中引入氯化鈣氣溶膠，有效抑制了納升級水凝膠微滴的擴散和蒸發，使打印穩定性和產量提升至99%以上。該團隊進一步利用多槍管噴嘴構建了包含100種不同細胞組成的膠質母細胞瘤（GBM）多成分陣列，復現了腫瘤內異質性微環境，并成功應用于替莫唑胺（TMZ）的藥效評估。實驗表明，該陣列可同步分析不同細胞組成對藥物的響應差異，為腫瘤藥物篩選提供了高通量平臺。相關工作以“Bioprinting of a multi-composition array to mimic intra-tumor heterogeneity of glioblastoma for drug evaluation”為題發表在《Microsystems & Nanoengineering》上。
1. 基于氣溶膠交聯的穩定微擠出打印技術原理，通過在微擠出打印過程中引入10%氯化鈣（CaCl₂）氣溶膠，研究了納升級水凝膠微滴在空氣暴露下的擴散和蒸發問題。結果表明，氣溶膠通過實時凝膠化和維持濕潤環境，使250納升藻酸鹽微滴在400秒內體積保持率從對照組的0%提升至97%，接觸角從0°增加至60°，顯著改善了打印分辨率和穩定性，且10×10陣列的附著率從對照組的20%提升至97%。
2. 納升級水凝膠微滴陣列的規模化制備，通過優化打印速度（100 cm/min）和氣壓（350 mbar），結合氣溶膠輔助交聯，研究了10×10至20×30陣列的打印可行性。結果顯示，600微滴陣列（1.5滴/秒）的生產效率達99.83%，且微滴體積均勻性提升，解決了傳統方法中長時間打印導致的蒸發和附著不穩定問題。
3. 多成分異質圖案陣列的打印與表征，通過多槍管噴嘴結合氣溶膠交聯，研究了三材料切換（紅/綠/藍熒光珠）和雙材料梯度混合（紅+綠熒光珠）的打印能力。結果表明，陣列中熒光珠比例與氣壓調控的材料擠出比例高度吻合（R²>0.95），成功制備了條帶化和梯度化的多成分陣列，驗證了多材料精準控制的可行性。
4. 生物打印膠質母細胞瘤（GBM）陣列的生物相容性評估，通過活/死染色和細胞 viability 檢測，研究了含U87MG（TMZ敏感）和T98G（TMZ耐藥）細胞的單成分陣列在氣溶膠輔助打印后的性能。結果顯示，氣溶膠組細胞存活率在7天內維持>90%，顯著高于對照組（<50%），且陣列附著穩定，證明了該技術在細胞封裝中的適用性。
5. 模擬腫瘤內異質性的多成分GBM陣列構建，通過梯度混合U87MG和T98G細胞（比例1:99至99:1），結合熒光標記和細胞形態分析，研究了100種不同成分陣列的異質性模擬能力。結果表明，陣列中細胞組成呈線性梯度分布，且隨U87MG比例增加，腫瘤球狀體直徑從50 μm增至300 μm，驗證了微環境對細胞生長的調控作用。
6. 替莫唑胺（TMZ）在異質GBM陣列中的藥效評估，通過對790 μM TMZ處理后的陣列進行活/死染色和熒光定量，研究了細胞組成與藥物響應的相關性。結果表明，U87MG比例高的微滴（51-100號）存活率<50%，而T98G比例高的微滴（1-50號）存活率>50%，皮爾遜相關系數達-0.696，證實了腫瘤異質性對藥物療效的顯著影響。
研究結論
本研究開發了基于多生物墨水打印和氣溶膠交聯的微擠出生物打印技術，實現了納升級小體積、多成分水凝膠陣列的穩定制備。通過引入氯化鈣氣溶膠，有效解決了傳統技術中 hydrogel 微滴擴散和蒸發導致的打印不穩定問題，使陣列生產效率提升至99%以上，并成功構建了包含100種細胞組成的膠質母細胞瘤（GBM）多成分陣列，模擬了腫瘤內異質性微環境。體外實驗表明，該陣列支持高細胞活性（存活率>90%）和動態細胞互作分析，體內藥效評估顯示其可精準反映替莫唑胺（TMZ）對不同細胞組成的響應差異，皮爾遜相關系數達-0.696。本研究為腫瘤藥物高通量篩選提供了新型體外模型，有望推動個性化癌癥治療的發展。
文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00843-w
(責任編輯：admin)
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