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復(fù)制“替身”體外試藥 精準(zhǔn)消滅腫瘤細(xì)胞

時(shí)間:2024-02-06 11:05:53   來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

  癌癥是人類面臨的一大健康威脅。癌癥治療的難點(diǎn)之一在于它具有異質(zhì)性,不同患者的腫瘤差異大,需要根據(jù)個(gè)體情況進(jìn)行精準(zhǔn)治療。臨床上,無(wú)論是手術(shù)前還是手術(shù)后,找出最有效的藥物對(duì)腫瘤患者的治療極其重要。但利用傳統(tǒng)的基因檢測(cè)和患者來(lái)源異種移植模型來(lái)篩選治療藥物,都存在不夠精準(zhǔn)、檢測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)等問題。

  在與癌癥斗爭(zhēng)的過(guò)程中,有沒有一種方法可以先打造“模擬戰(zhàn)場(chǎng)”挑選治療“武器”,確定哪些藥物對(duì)患者有效,再讓藥物“上戰(zhàn)場(chǎng)”,實(shí)施精準(zhǔn)個(gè)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(shí)。

  日前,清華大學(xué)機(jī)械系副教授姚睿團(tuán)隊(duì)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(guò)研究整合性類腫瘤模型對(duì)于不同藥物的反應(yīng),可以快速篩選出最精準(zhǔn)有效的抗腫瘤藥物,從而有望實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤患者的精準(zhǔn)治療。相關(guān)研究成果發(fā)表在《細(xì)胞》旗下期刊《生物技術(shù)前沿趨勢(shì)》上。

  體外搭建“模擬戰(zhàn)場(chǎng)”助力腫瘤個(gè)性化治療

  “武器”選得好不好,關(guān)鍵在于“模擬戰(zhàn)場(chǎng)”有多接近體內(nèi)真實(shí)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(shí)情況。

  為了實(shí)現(xiàn)仿生,需要搞清楚體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞生活在什么樣的環(huán)境中。首先,腫瘤是基因變異帶來(lái)的細(xì)胞異常增生。變異不僅發(fā)生在腫瘤發(fā)展初期,更會(huì)伴隨著腫瘤演進(jìn)的全過(guò)程。一邊演進(jìn),一邊變異。因此,體外模擬的一大目標(biāo)是盡可能囊括腫瘤演進(jìn)的各個(gè)階段。其次,患者體內(nèi)聚集著大量腫瘤細(xì)胞和非腫瘤細(xì)胞,細(xì)胞間會(huì)相互作用,在模擬過(guò)程中也需要復(fù)刻這些群體細(xì)胞行為。最重要的是,體內(nèi)的腫瘤生存在有機(jī)環(huán)境中,有一套復(fù)雜的營(yíng)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(jī)系統(tǒng)。

  為了在整合性類腫瘤模型中囊括腫瘤演進(jìn)的各個(gè)階段,姚睿團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(xué)特征,且能夠在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)的三維細(xì)胞復(fù)合體。目前,形成類器官的主要方式是通過(guò)細(xì)胞的自組裝。類器官技術(shù)能夠突破細(xì)胞間單純的物理接觸聯(lián)系,形成更加緊密的細(xì)胞間生物通信,使細(xì)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(gè)腫瘤細(xì)胞為原材料,讓腫瘤細(xì)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(shí)的腫瘤團(tuán)內(nèi)存活著性狀各異的腫瘤細(xì)胞和非腫瘤細(xì)胞,僅用單個(gè)腫瘤細(xì)胞為原料難以模擬出真實(shí)腫瘤團(tuán)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(xì)胞類型,在模型構(gòu)建上克服細(xì)胞同質(zhì)性,更好地還原患者對(duì)抗癌藥物反應(yīng)的個(gè)性化差異。“我們可以將類器官視為一個(gè)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(shí)的腫瘤環(huán)境這一大型‘生態(tài)系統(tǒng)’。”論文第一作者、清華大學(xué)博士生王曉宇說(shuō)。

  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(guò)程是通過(guò)血管等管道來(lái)完成的。王曉宇介紹,運(yùn)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(diǎn)外,器官芯片技術(shù)能夠精確控制化學(xué)濃度梯度、流體剪切力等多個(gè)系統(tǒng)參數(shù),構(gòu)建細(xì)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(xué)功能。但器官芯片技術(shù)目前仍需解決如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)無(wú)損檢測(cè)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(shí)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(xì)胞會(huì)緊緊挨在一起,中間的細(xì)胞就容易因?yàn)槿毖趸蛉狈I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而死亡。體內(nèi)的腫瘤很“聰明”,會(huì)誘導(dǎo)血管長(zhǎng)到自己內(nèi)部來(lái)提供養(yǎng)分,但類器官通常缺乏這種機(jī)制。而利用生物3D打印可以制造“血管”,通過(guò)培養(yǎng)液為類器官提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。因此,生物3D打印的方法彌補(bǔ)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(jìn)過(guò)程仍有一定距離。這是因?yàn)轶w內(nèi)腫瘤演進(jìn)過(guò)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(huì)被簡(jiǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)的血管網(wǎng)絡(luò)。模擬腫瘤浸潤(rùn)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(xì)胞;另一種是直接用3D打印組裝生物材料、細(xì)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(guò)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(lái),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(dòng)化程度。”姚睿說(shuō),普通的類器官完全基于細(xì)胞的自組裝,有很大的隨機(jī)性,這給驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用工程化的方法構(gòu)建了自動(dòng)化平臺(tái),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(tuán)之前,先在電腦中預(yù)先設(shè)計(jì)需要的模型。在建造“房子”的過(guò)程中,通過(guò)電腦程序控制生物材料、細(xì)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(jī)體。

  “目前,生物3D打印技術(shù)已經(jīng)與自動(dòng)化培養(yǎng)、無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)融合,能夠自動(dòng)化完成模型的構(gòu)建、檢測(cè)、觀察和結(jié)果分析。例如,在結(jié)果分析階段,可以利用無(wú)損成像和AI技術(shù)進(jìn)行類器官識(shí)別和自動(dòng)分析。自動(dòng)化不僅帶來(lái)了高效率,還大大減少了實(shí)驗(yàn)誤差,提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性和可重復(fù)性。”姚睿介紹。

  從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用還有多遠(yuǎn)

  接近體內(nèi)真實(shí)環(huán)境的腫瘤類器官模型構(gòu)建好了,但真正要用它來(lái)攻克癌癥,仍有很長(zhǎng)的一段路要走。

  “成本高昂是目前制約整合性類腫瘤模型進(jìn)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(xì)胞培養(yǎng),技術(shù)難度更大、資源投入更多。此外,由于細(xì)胞在三維結(jié)構(gòu)中增殖速度較慢、培養(yǎng)周期較長(zhǎng),因此維護(hù)成本也更高。”姚睿介紹。

  缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和方法來(lái)評(píng)估比較不同實(shí)驗(yàn)室的體外培養(yǎng)結(jié)果,以實(shí)現(xiàn)研究結(jié)果的可復(fù)制和可驗(yàn)證。在臨床應(yīng)用階段,還可能會(huì)涉及如何評(píng)估合規(guī)性、如何定價(jià)、醫(yī)保如何覆蓋等社會(huì)問題。

  在與癌癥斗爭(zhēng)的道路上,構(gòu)建體外模擬“武器試驗(yàn)場(chǎng)”,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(qiáng)大的能力。“可以預(yù)見,隨著3D打印和類器官技術(shù)的更新迭代,相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將日趨完善,臨床應(yīng)用也將逐漸普及。”姚睿認(rèn)為,通過(guò)推動(dòng)企業(yè)作為創(chuàng)新主體與科研機(jī)構(gòu)良性互動(dòng),在臨床醫(yī)生、生物學(xué)家和工程師的跨學(xué)科努力下,這一新技術(shù)惠及癌癥患者或指日可待。

(責(zé)任編輯:華康)

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