清華大學生物制造團隊孫偉/龐媛:三維體外系統(tǒng)模擬實體瘤的免疫反應綜述
時間：2023-08-15 21:14 來源：上普生物 作者：admin 閱讀：次
免疫療法已被公認為癌癥治療的第五大支柱，它可以特異性靶向癌細胞，并通過免疫記憶實現(xiàn)長期應答，已經(jīng)提高了多種血液腫瘤（非實體瘤）患者的生存率。然而，對于實體瘤患者來說，單一免疫療法的療效并不顯著。由于“腫瘤-免疫循環(huán)”（Cancer-Immunity
Cycle,
簡稱CIC）的高度復雜性和異質性，導致其對免疫療法的總體反應率有限。當免疫療法被用于克服免疫功能障礙并促進CIC時，該過程的任何中斷都可能導致治療失敗。因此，迫切需要開發(fā)精確的腫瘤建模方法。
在過去的十年中，體外三維模型作為先進的生物模型被開發(fā)出來，這使得人們可以深入了解細胞與細胞以及細胞與環(huán)境之間的相互作用。隨著對癌癥免疫治療的關注，越來越多的工作開始使用三維模型來重建癌癥中的局部或全身免疫環(huán)境。最近的進展表明了體外三維腫瘤免疫學模型具有潛在的實用性，包括在基礎研究中更好地定義CIC，評估和探索免疫療法，以及開發(fā)人工龕位輔助的“藥物遞送系統(tǒng)”（Drug Delivery System, 簡稱DDS）。從而為在三維體外系統(tǒng)中解決實體瘤免疫治療耐藥或無效的問題提供了前所未有的機會，為進一步的理解細胞和分子機制、提高免疫治療效果提供了多維的資源。
2023年7月4日，清華大學機械工程系生物制造團隊龐媛/孫偉在Nature Reviews Immunology上在線發(fā)表了題為《利用三維體外系統(tǒng)建立實體瘤免疫反應模型：向改進和創(chuàng)造個性化免疫療法邁出一步》（Harnessing 3D in vitro systems to model immune responses to solid tumours: a step towards improving and creating personalized immunotherapies）的綜述文章。作者針對實體瘤現(xiàn)有免疫療法的局限性，全面回顧了各種體外三維建模技術，并強調(diào)這些技術如何應用于模擬和再現(xiàn)CIC，以評估免疫治療策略進而探索免疫治療的優(yōu)化方案及個性化的腫瘤免疫治療。最后，針對該研究領域的挑戰(zhàn)和重要發(fā)展機遇進行了評述和展望。
該文章的第一作者為清華大學機械工程系博士研究生周珍珍，清華大學機械工程系生物制造團隊龐媛副研究員和孫偉教授為本文的共同通訊作者。
實體瘤免疫治療的局限性
免疫療法可以局部改變腫瘤微環(huán)境（Tumor Microenvironment, 簡稱TME）或系統(tǒng)改善免疫監(jiān)視，這些療法明顯推動了血液腫瘤的治療。然而，大多數(shù)實體瘤患者無法從目前的免疫療法中獲益。CIC的巨大復雜性、異質性和適應性導致了對免疫療法的不同反應。
免疫治療抵抗或無效的機制可分為以下幾類：首先，局部TME和全身免疫反應的免疫抑制環(huán)境可能導致駐留或浸潤的細胞毒性免疫細胞失活或衰竭，如“細胞毒性T淋巴細胞”。其次，局部TME的變形結構和血管高滲滲漏對治療性細胞浸潤或藥劑輸送構成了物理屏障。三，由于TME和系統(tǒng)免疫反應的異質性，治療性基因改造細胞上的特定分子結構總是導致反應的可變性和免疫抵抗。例如，實體瘤含有攜帶逃逸變體的細胞，可以逃避“嵌合抗原受體T細胞”（Chimeric Antigen Receptor T cell, 簡稱CAR T cell）的定位。第四，有限的或不適當?shù)慕o藥方案導致療效下降和副作用增加。然而，解決所有這些挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)的腫瘤模型系統(tǒng)，即二維共培養(yǎng)和動物模型所不能及的。
體外三維免疫腫瘤學模型的構建
由于材料科學、微加工、組織工程和三維打印技術的融合，現(xiàn)在可以設計生物三維模型。這些體外三維模型的出現(xiàn)為腫瘤免疫學和免疫療法提供了全新的視角。因此，本文將回顧各種體外三維建模技術，包括支架、有機體、微流控和三維生物打印，并重點介紹如何利用這些技術來規(guī)劃和組織CIC的復雜組件。
1. 基于支架的三維模型
在基于支架的三維模型中，細胞被植入到模擬實體組織的細胞外基質（Extracellular Matrix, 簡稱ECM）的生物材料中（圖1）。三維支架可通過自由堆疊不同形態(tài)的微顆粒或集成結構來建立。細胞接種是在微孔或纖維支架上進行的，支架的制備采用了不同的配制工藝（如兩相乳化、發(fā)泡、冷凍干燥和靜電紡絲）。支架平臺可對遞送的免疫調(diào)節(jié)劑和免疫細胞之間的相互作用進行時空調(diào)節(jié)，并重現(xiàn)免疫細胞的串擾。通過調(diào)整支架材料，研究ECM的物理和生物化學特性如何影響免疫治療反應和免疫細胞功能。
2. 類器官模型
腫瘤類器官是自組織微型三維細胞聚集體，來源于原發(fā)腫瘤組織（或基因工程干細胞），能夠保留親代腫瘤組織的關鍵分子和結構特征（圖2）。這些類器官模型補充了現(xiàn)有的確定癌癥易感性和改善各種實體瘤類型治療反應的方法。然而，以前的研究通常使用不含免疫細胞群的類器官模型，這些模型只能用于非免疫相關的腫瘤研究。最近，通過加入各種免疫細胞成分，類器官模型得到了進一步的發(fā)展和完善。它們被認為是人類癌癥免疫生物學再現(xiàn)和免疫療法測試的理想模型。
3. 微流體3D模型
盡管類器官模型可以通過簡單的共培養(yǎng)或通過血管網(wǎng)絡灌注將多種成分結合在一起，但包括細胞、基質和生化因子在內(nèi)的各種成分的分布卻無法在空間上確定。微流體三維模型結合了仿生生物學和微制造技術。通過允許空間調(diào)節(jié)的共培養(yǎng)、灌注流和信號梯度的空間控制，微流體技術已發(fā)展成為一種多功能工具，可進一步加強三維細胞培養(yǎng)的生理相關性。目前，常見的微流體三維模型構建方法包括三維水凝膠、液滴和柱狀培養(yǎng)（圖3）。
4. 基于生物打印的三維模型
與在微流體芯片中預先確定的微框架內(nèi)部署各種元件不同，生物打印可在完全開放的空間內(nèi)自由有序地組裝這些元件。生物打印通過將細胞或聚集體融入天然或合成ECM來構建人工組織（圖4）。三維生物打印技術的優(yōu)勢在于可創(chuàng)建各種尺度的結構、有組織的組織拓撲和特定的組織構象。按照預定設計，癌細胞、基質細胞和免疫細胞以及物理和生化梯度在三維空間中一致排列，可系統(tǒng)研究TME中細胞與細胞之間以及細胞與ECM之間的相互作用。迄今為止，已開發(fā)出多種生物打印技術，包括擠壓生物打�。‥xtrusion-based Bioprinting, 簡稱EBB）、液滴生物打�。―roplet-based Bioprinting, 簡稱DBB）、激光輔助生物打印（Laser-assisted Bioprinting, 簡稱LAB）和吸氣輔助生物打�。ˋspiration-assisted Bioprinting, 簡稱AAB），用于創(chuàng)建體外三維免疫腫瘤學模型。
總結與展望
體外三維免疫腫瘤學模型的出現(xiàn)為深入研究細胞和分子機制、提高免疫治療療效提供了多維資源。然而，免疫腫瘤學模型現(xiàn)有的重要轉化挑戰(zhàn)包括實驗時間短、標準化和高通量，這對建立這些模型的預測性臨床嚴謹性至關重要。從人體或動物中提取的可高度模擬原始體內(nèi)環(huán)境的脫細胞細胞外基質存在嚴重的批間差，是模型標準化的主要障礙。近年來，人們開發(fā)了具有特定配方的生物材料來提高可重復性，并向定向工程轉變以實現(xiàn)CIC的重編程和免疫治療。因此，基質環(huán)境正在成為癌癥免疫學和免疫療法的一個新的研究領域。最后，成功的構建體外三維免疫腫瘤學模型不僅有利于重塑傳統(tǒng)的免疫腫瘤學研究方法，還有助于加速臨床有效免疫療法的轉化，從而大大改善患者的腫瘤預后。
參考文獻
Zhenzhen Zhou, Yuan Pang, Jingyuan Ji, Jianyu He, Tiankun Liu, Liliang Ouyang, Wen Zhang, Xue-Li Zhang, Zhi-Gang Zhang, Kaitai Zhang & Wei Sun. Harnessing 3D in vitro systems to model immune responses to solid tumours: a step towards improving and creating personalized immunotherapies. Nature Reviews Immunology (2023) Cite this article.
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41577-023-00896-4.
在過去的十年中，體外三維模型作為先進的生物模型被開發(fā)出來，這使得人們可以深入了解細胞與細胞以及細胞與環(huán)境之間的相互作用。隨著對癌癥免疫治療的關注，越來越多的工作開始使用三維模型來重建癌癥中的局部或全身免疫環(huán)境。最近的進展表明了體外三維腫瘤免疫學模型具有潛在的實用性，包括在基礎研究中更好地定義CIC，評估和探索免疫療法，以及開發(fā)人工龕位輔助的“藥物遞送系統(tǒng)”（Drug Delivery System, 簡稱DDS）。從而為在三維體外系統(tǒng)中解決實體瘤免疫治療耐藥或無效的問題提供了前所未有的機會，為進一步的理解細胞和分子機制、提高免疫治療效果提供了多維的資源。
圖 | 相關論文（來源：Nat Rev Immunol）
2023年7月4日，清華大學機械工程系生物制造團隊龐媛/孫偉在Nature Reviews Immunology上在線發(fā)表了題為《利用三維體外系統(tǒng)建立實體瘤免疫反應模型：向改進和創(chuàng)造個性化免疫療法邁出一步》（Harnessing 3D in vitro systems to model immune responses to solid tumours: a step towards improving and creating personalized immunotherapies）的綜述文章。作者針對實體瘤現(xiàn)有免疫療法的局限性，全面回顧了各種體外三維建模技術，并強調(diào)這些技術如何應用于模擬和再現(xiàn)CIC，以評估免疫治療策略進而探索免疫治療的優(yōu)化方案及個性化的腫瘤免疫治療。最后，針對該研究領域的挑戰(zhàn)和重要發(fā)展機遇進行了評述和展望。
該文章的第一作者為清華大學機械工程系博士研究生周珍珍，清華大學機械工程系生物制造團隊龐媛副研究員和孫偉教授為本文的共同通訊作者。
實體瘤免疫治療的局限性
免疫療法可以局部改變腫瘤微環(huán)境（Tumor Microenvironment, 簡稱TME）或系統(tǒng)改善免疫監(jiān)視，這些療法明顯推動了血液腫瘤的治療。然而，大多數(shù)實體瘤患者無法從目前的免疫療法中獲益。CIC的巨大復雜性、異質性和適應性導致了對免疫療法的不同反應。
免疫治療抵抗或無效的機制可分為以下幾類：首先，局部TME和全身免疫反應的免疫抑制環(huán)境可能導致駐留或浸潤的細胞毒性免疫細胞失活或衰竭，如“細胞毒性T淋巴細胞”。其次，局部TME的變形結構和血管高滲滲漏對治療性細胞浸潤或藥劑輸送構成了物理屏障。三，由于TME和系統(tǒng)免疫反應的異質性，治療性基因改造細胞上的特定分子結構總是導致反應的可變性和免疫抵抗。例如，實體瘤含有攜帶逃逸變體的細胞，可以逃避“嵌合抗原受體T細胞”（Chimeric Antigen Receptor T cell, 簡稱CAR T cell）的定位。第四，有限的或不適當?shù)慕o藥方案導致療效下降和副作用增加。然而，解決所有這些挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)的腫瘤模型系統(tǒng)，即二維共培養(yǎng)和動物模型所不能及的。
體外三維免疫腫瘤學模型的構建
由于材料科學、微加工、組織工程和三維打印技術的融合，現(xiàn)在可以設計生物三維模型。這些體外三維模型的出現(xiàn)為腫瘤免疫學和免疫療法提供了全新的視角。因此，本文將回顧各種體外三維建模技術，包括支架、有機體、微流控和三維生物打印，并重點介紹如何利用這些技術來規(guī)劃和組織CIC的復雜組件。
1. 基于支架的三維模型
在基于支架的三維模型中，細胞被植入到模擬實體組織的細胞外基質（Extracellular Matrix, 簡稱ECM）的生物材料中（圖1）。三維支架可通過自由堆疊不同形態(tài)的微顆粒或集成結構來建立。細胞接種是在微孔或纖維支架上進行的，支架的制備采用了不同的配制工藝（如兩相乳化、發(fā)泡、冷凍干燥和靜電紡絲）。支架平臺可對遞送的免疫調(diào)節(jié)劑和免疫細胞之間的相互作用進行時空調(diào)節(jié)，并重現(xiàn)免疫細胞的串擾。通過調(diào)整支架材料，研究ECM的物理和生物化學特性如何影響免疫治療反應和免疫細胞功能。
圖 | 用于腫瘤免疫學研究的基于支架的三維模型示意圖
（來源：Nat Rev Immunol）
2. 類器官模型
腫瘤類器官是自組織微型三維細胞聚集體，來源于原發(fā)腫瘤組織（或基因工程干細胞），能夠保留親代腫瘤組織的關鍵分子和結構特征（圖2）。這些類器官模型補充了現(xiàn)有的確定癌癥易感性和改善各種實體瘤類型治療反應的方法。然而，以前的研究通常使用不含免疫細胞群的類器官模型，這些模型只能用于非免疫相關的腫瘤研究。最近，通過加入各種免疫細胞成分，類器官模型得到了進一步的發(fā)展和完善。它們被認為是人類癌癥免疫生物學再現(xiàn)和免疫療法測試的理想模型。
圖 | 用于腫瘤免疫學研究的腫瘤類器官模型示意圖
（來源：Nat Rev Immunol）
3. 微流體3D模型
盡管類器官模型可以通過簡單的共培養(yǎng)或通過血管網(wǎng)絡灌注將多種成分結合在一起，但包括細胞、基質和生化因子在內(nèi)的各種成分的分布卻無法在空間上確定。微流體三維模型結合了仿生生物學和微制造技術。通過允許空間調(diào)節(jié)的共培養(yǎng)、灌注流和信號梯度的空間控制，微流體技術已發(fā)展成為一種多功能工具，可進一步加強三維細胞培養(yǎng)的生理相關性。目前，常見的微流體三維模型構建方法包括三維水凝膠、液滴和柱狀培養(yǎng)（圖3）。
圖 | 用于腫瘤免疫學研究的微流控三維模型示意圖
（來源：Nat Rev Immunol）
4. 基于生物打印的三維模型
與在微流體芯片中預先確定的微框架內(nèi)部署各種元件不同，生物打印可在完全開放的空間內(nèi)自由有序地組裝這些元件。生物打印通過將細胞或聚集體融入天然或合成ECM來構建人工組織（圖4）。三維生物打印技術的優(yōu)勢在于可創(chuàng)建各種尺度的結構、有組織的組織拓撲和特定的組織構象。按照預定設計，癌細胞、基質細胞和免疫細胞以及物理和生化梯度在三維空間中一致排列，可系統(tǒng)研究TME中細胞與細胞之間以及細胞與ECM之間的相互作用。迄今為止，已開發(fā)出多種生物打印技術，包括擠壓生物打�。‥xtrusion-based Bioprinting, 簡稱EBB）、液滴生物打�。―roplet-based Bioprinting, 簡稱DBB）、激光輔助生物打印（Laser-assisted Bioprinting, 簡稱LAB）和吸氣輔助生物打�。ˋspiration-assisted Bioprinting, 簡稱AAB），用于創(chuàng)建體外三維免疫腫瘤學模型。
圖 | 用于腫瘤免疫學研究的基于生物打印的三維模型示意圖
（來源：Nat Rev Immunol）
總結與展望
體外三維免疫腫瘤學模型的出現(xiàn)為深入研究細胞和分子機制、提高免疫治療療效提供了多維資源。然而，免疫腫瘤學模型現(xiàn)有的重要轉化挑戰(zhàn)包括實驗時間短、標準化和高通量，這對建立這些模型的預測性臨床嚴謹性至關重要。從人體或動物中提取的可高度模擬原始體內(nèi)環(huán)境的脫細胞細胞外基質存在嚴重的批間差，是模型標準化的主要障礙。近年來，人們開發(fā)了具有特定配方的生物材料來提高可重復性，并向定向工程轉變以實現(xiàn)CIC的重編程和免疫治療。因此，基質環(huán)境正在成為癌癥免疫學和免疫療法的一個新的研究領域。最后，成功的構建體外三維免疫腫瘤學模型不僅有利于重塑傳統(tǒng)的免疫腫瘤學研究方法，還有助于加速臨床有效免疫療法的轉化，從而大大改善患者的腫瘤預后。
參考文獻
Zhenzhen Zhou, Yuan Pang, Jingyuan Ji, Jianyu He, Tiankun Liu, Liliang Ouyang, Wen Zhang, Xue-Li Zhang, Zhi-Gang Zhang, Kaitai Zhang & Wei Sun. Harnessing 3D in vitro systems to model immune responses to solid tumours: a step towards improving and creating personalized immunotherapies. Nature Reviews Immunology (2023) Cite this article.
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41577-023-00896-4.
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