生物3D打印胶质母细胞瘤微环境模拟细胞依赖性和免疫相互作用

3D打印快讯
2020
07/28
09:26
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来源: EngineeringForLife

脑肿瘤是一个含有多种细胞类型的动态复杂生态系统,是包含多种细胞类型以及多组分相互作用的复杂组织。肿瘤细胞与周围基质之间的相互作用促进了肿瘤的发生,发展和转移。然而,大多数癌症研究都在研究癌细胞的单独培养,且在含有物种不匹配血清的非生理粘附条件下进行培养。当前的精准医学研究仅基于基因组改变以及分子通路驱动肿瘤细胞转化,对于最普遍和致命的原发性内源性脑肿瘤——脑胶质母细胞瘤的临床实践来说相对有限。

相比于2D培养,患者来源的异种移植和基因工程小鼠模型可提供有用的信息并能更好地概括组患者脑肿瘤的基因和转录谱。虽然这些研究提供了有关癌细胞依赖性的宝贵见解,但是却无法探究在适当生理条件下,肿瘤细胞与基质细胞或微环境的相互作用,因而限制了其广泛临床应用。此外,在胶质母细胞瘤等含有免疫细胞的肿瘤研究中,异体移植受到限制,这是由于免疫功能低下的动物阻碍了癌症生物学中免疫细胞的研究。

胶质母细胞瘤的一种主要微环境特征是巨噬细胞和小胶质细胞对肿瘤块的显著浸润。在发展性或复发性胶质母细胞瘤中,巨噬细胞和小胶质细胞占肿瘤体积的很大一部分。为了更好地研究其生理病理过程,开发了构建自组织三维(3D)共培养系统,即类器官的方法。在癌症研究中,类器官系统可作为结直肠癌模型,乳腺癌模型,肝癌和胆管癌模型,胰腺癌模型,以及胶质母细胞瘤模型等。

组织工程学方法的进一步发展启发了新的3D培养系统,具有更好的可扩展性以及调节特定生物学参数的能力,包括细胞组成和细胞外基质刚度。生理相关的脑肿瘤微环境的发展需要小心考虑特定肿瘤类型基质和细胞组分的生物物理和生化特性,可以借助生物3D打印的最新进展以及为生物打印过程特别设计的生物材料来实现。通过使用快速生物3D打印平台,研究人员可以研究生理相关条件下的功能依赖性和多细胞相互作用。整合巨噬细胞的生物打印结构可以概括患者来源的转录谱,预测患者存活,维持干性,侵袭性以及药物抗性。相对于球形培养,使用生物打印的复杂系统进行全基因组CRISPR筛选,可确定GSC中独特的分子依赖性。多细胞生物打印模型可作为可扩展的生理平台来询问药物敏感度,细胞串扰,侵袭,特定功能依赖性,以及物种匹配神经环境下的免疫相互作用。

为了在一个可复制可扩展的系统中模拟脑肿瘤的微环境,研究人员开发了一种快速生物3D打印方法来构建具有临床意义的仿生组织模型。在复发性胶质母细胞瘤中,巨噬细胞/小胶质细胞显着地促进了肿瘤块。为了解析巨噬细胞在3D状态下的功能,研究人员比较了在有或没有巨噬细胞的条件下,神经胶质母细胞瘤干细胞(GSC)的单独生长或者在富含透明质酸的水凝胶中与星形胶质细胞和神经前体细胞共同生长。

研究人员采用快速生物3D打印系统和可光交联的天然ECM衍生物来构建胶质母细胞瘤这一高度致死性脑肿瘤的仿生3D癌症微环境。该模型包含富含HA的水凝胶内的患者来源的GSC细胞,巨噬细胞,星形胶质细胞和神经干细胞(NSC)。在胶质母细胞瘤中,研究人员首先描述了概括肿瘤结构的类器官系统,微环境梯度和肿瘤细胞异质性。其他胶质母细胞瘤模型利用人类胚胎干细胞衍生的脑类器官来研究胶质母细胞瘤干细胞(GSC)和正常的大脑成分的相互作用,包括浸润,微环境刺激和对治疗的反应。

当前多数模型只聚焦于体内情境的某一方面或者使用非人体细胞,降低了其应用于临床的能力。为了更好地模拟高度致死的脑癌,研究人员利用光投影式生物3D打印系统来模拟胶质母细胞瘤。利用生物3D打印来构建胶质母细胞细胞和其他基质细胞的共培养模型,或制造HA水凝胶来模拟脑细胞外基质。首次报道了基于人体细胞的3D胶质母细胞瘤模型来概括复杂肿瘤微环境,包含正常大脑,免疫组分,基质组分,以及细胞外基质中必要的机械和生化刺激。

近期发表在Cell Research杂志上题为“Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions”的文章,来自Qi Xie,Shao Chenchen和Jeremy N. Rich教授团队的合作。

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图1 3D生物打印可以生成胶质母细胞瘤三培养和四培养组织环境模型


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图2 与标准球形培养相比,3D四培养模型可以更好地概括胶质母细胞瘤组织中发现的转录特征


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图3 在3D四培养模型中生长的GSC上调细胞相互作用,缺氧和癌症干细胞的转录特征


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图4 巨噬细胞的添加激活细胞外基质和侵袭性特征


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图5 在3D四培养模型中生长的巨噬细胞上调免疫激活信号,增加M2极化性,并促进GSC侵袭


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图6 生物3D打印可实现药物研发平台,并且微环境相互作用可促进耐药性


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图7 全基因组CRISPR-Cas9筛选揭示了特定的功能依赖性


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图8 PAG1和ZNF830是胶质母细胞瘤中潜在的治疗靶标

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图9 生物3D打印有助于胶质母细胞瘤中具有不良预后意义基因的上调


论文信息:
TANG, Min, et al. Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions[J]. CellResearch, 2020, 1-21.
论文链接:
https://www.nature.com/articles/ ... ne&isappinstalled=0

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