生物3D打印多成分阵列模拟胶质母细胞瘤肿瘤内异质性用于药物评估

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在生物打印领域，利用微挤出技术构建体外模型时，小体积水凝胶墨水易因扩散和蒸发导致打印分辨率下降、细胞活性降低，且难以在单一系统中实现高通量数据产出，限制了对肿瘤内异质性等复杂生物场景的模拟。来自韩国科学技术院（KAIST）的Je-Kyun Park教授团队开发了一种基于多生物墨水打印和气溶胶交联技术的微挤出生物打印方法，通过在打印过程中引入氯化钙气溶胶，有效抑制了纳升级水凝胶微滴的扩散和蒸发，使打印稳定性和产量提升至99%以上。该团队进一步利用多枪管喷嘴构建了包含100种不同细胞组成的胶质母细胞瘤（GBM）多成分阵列，复现了肿瘤内异质性微环境，并成功应用于替莫唑胺（TMZ）的药效评估。实验表明，该阵列可同步分析不同细胞组成对药物的响应差异，为肿瘤药物筛选提供了高通量平台。相关工作以“Bioprinting of a multi-composition array to mimic intra-tumor heterogeneity of glioblastoma for drug evaluation”为题发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。

1. 基于气溶胶交联的稳定微挤出打印技术原理，通过在微挤出打印过程中引入10%氯化钙（CaCl₂）气溶胶，研究了纳升级水凝胶微滴在空气暴露下的扩散和蒸发问题。结果表明，气溶胶通过实时凝胶化和维持湿润环境，使250纳升藻酸盐微滴在400秒内体积保持率从对照组的0%提升至97%，接触角从0°增加至60°，显著改善了打印分辨率和稳定性，且10×10阵列的附着率从对照组的20%提升至97%。      

图1. 利用交联气溶胶稳定微挤出打印小体积水凝胶阵列的示意图及效果。   

2. 纳升级水凝胶微滴阵列的规模化制备，通过优化打印速度（100 cm/min）和气压（350 mbar），结合气溶胶辅助交联，研究了10×10至20×30阵列的打印可行性。结果显示，600微滴阵列（1.5滴/秒）的生产效率达99.83%，且微滴体积均匀性提升，解决了传统方法中长时间打印导致的蒸发和附着不稳定问题。      

图2. 小体积大规模水凝胶阵列的稳定打印技术验证。   

3. 多成分异质图案阵列的打印与表征，通过多枪管喷嘴结合气溶胶交联，研究了三材料切换（红/绿/蓝荧光珠）和双材料梯度混合（红+绿荧光珠）的打印能力。结果表明，阵列中荧光珠比例与气压调控的材料挤出比例高度吻合（R²>0.95），成功制备了条带化和梯度化的多成分阵列，验证了多材料精准控制的可行性。      

图3. 使用多枪管喷嘴和气溶胶打印多成分水凝胶阵列的图案与机制。   

4. 生物打印胶质母细胞瘤（GBM）阵列的生物相容性评估，通过活/死染色和细胞 viability 检测，研究了含U87MG（TMZ敏感）和T98G（TMZ耐药）细胞的单成分阵列在气溶胶辅助打印后的性能。结果显示，气溶胶组细胞存活率在7天内维持>90%，显著高于对照组（<50%），且阵列附着稳定，证明了该技术在细胞封装中的适用性。      

图4. 生物打印GBM阵列的细胞活性测试。   

5. 模拟肿瘤内异质性的多成分GBM阵列构建，通过梯度混合U87MG和T98G细胞（比例1:99至99:1），结合荧光标记和细胞形态分析，研究了100种不同成分阵列的异质性模拟能力。结果表明，阵列中细胞组成呈线性梯度分布，且随U87MG比例增加，肿瘤球状体直径从50 μm增至300 μm，验证了微环境对细胞生长的调控作用。      

图5. 生物打印多成分GBM阵列模拟肿瘤内异质性。   

6. 替莫唑胺（TMZ）在异质GBM阵列中的药效评估，通过对790 μM TMZ处理后的阵列进行活/死染色和荧光定量，研究了细胞组成与药物响应的相关性。结果表明，U87MG比例高的微滴（51-100号）存活率<50%，而T98G比例高的微滴（1-50号）存活率>50%，皮尔逊相关系数达-0.696，证实了肿瘤异质性对药物疗效的显著影响。      

图6. 多成分GBM阵列评估TMZ药效的异质性响应分析。

研究结论
本研究开发了基于多生物墨水打印和气溶胶交联的微挤出生物打印技术，实现了纳升级小体积、多成分水凝胶阵列的稳定制备。通过引入氯化钙气溶胶，有效解决了传统技术中 hydrogel 微滴扩散和蒸发导致的打印不稳定问题，使阵列生产效率提升至99%以上，并成功构建了包含100种细胞组成的胶质母细胞瘤（GBM）多成分阵列，模拟了肿瘤内异质性微环境。体外实验表明，该阵列支持高细胞活性（存活率>90%）和动态细胞互作分析，体内药效评估显示其可精准反映替莫唑胺（TMZ）对不同细胞组成的响应差异，皮尔逊相关系数达-0.696。本研究为肿瘤药物高通量筛选提供了新型体外模型，有望推动个性化癌症治疗的发展。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00843-w