近日，莫納什大學Daniela Loessner等人在Nature Reviews Materials上綜述了基于生物材料的腫瘤組織工程平臺的相關進展。
癌癥是全球最常見的死因之一，但由于腫瘤異質性、患者間差異、對治療的抵抗以及疾病進展等因素的困擾，開發治療方法變得困難。因此，為了進行臨床前研究，人們已經做出了許多努力，例如使用腫瘤組織工程建模癌癥。在腫瘤組織工程中，生物材料是構建三維癌癥模型的關鍵成分，這些模型可以模擬實體腫瘤的組織維度、組織結構和功能。使用合成聚合物、生物聚合物和多肽等構建單元的多種水凝膠和支架材料用于組織工程和再生醫學應用，并作為三維癌癥模型的基質。新的工程方法使得可以有理設計含有多種結構和信號組分的水凝膠和支架材料，以更準確地重現腫瘤微環境的異質性，腫瘤微環境是一個復雜的實體或生境，其中包含惡性（或癌癥）和非惡性（或基質）細胞。
最初的三維癌癥模型僅限于培養癌細胞或與一個其他細胞類型的共培養，這不能充分捕捉腫瘤組織內的復雜細胞相互作用。更先進的多細胞三維癌癥模型已經發展出來，使用三元共培養、四元共培養或甚至五元共培養。三維細胞生物學也可以整合第四個維度（4D），實現時間分析，如實時蛋白酶解或信號級聯的活細胞成像。
利用生物學增強生物材料設計具有獨特優勢。材料科學和腫瘤生物學的結合已經產生了先進的方法，以可控的、靈活的和可重復的方式捕捉腫瘤微環境的參數。腫瘤組織工程是一個多學科領域，它將生物學、材料科學和工程學等多個學科相結合，為腫瘤研究和治療提供了新的方法和手段。通過建立更真實、更準確的三維腫瘤模型，腫瘤組織工程可以幫助研究人員更好地了解腫瘤微環境，發現新的治療方法，并最終提高治療效果。
在這篇綜述中，研究人員重點關注了生物工程和生物學之間的相互作用，以設計改進的3D癌癥模型。作者分析了基于生物材料的三維癌癥模型是如何被設計為生理相關分析，以再現腫瘤組織的特征。排除了塑料基質上的細胞單層培養或不基于生物材料的3D技術，如懸滴或非粘附細胞培養方法。
圖|腫瘤組織工程的概念
腫瘤生物學中的關鍵參數
腫瘤的發育受腫瘤微環境（TME）的影響，腫瘤微環境由多種細胞類型組成，包括基質細胞、免疫細胞、內皮細胞、脂肪細胞、細胞外基質（ECM）蛋白和可溶性分子。TME可以調節腫瘤的生長、侵襲和擴散，并在不同癌癥類型的腫瘤發生中發揮重要作用。在疾病進展過程中，癌癥細胞分泌并重塑自己的ECM，改變其生物力學特性，并產生允許細胞入侵的TME。ECM也是生長因子、細胞因子和趨化因子的庫，這些因子在基質分子裂解時釋放并激活各種信號通路。癌相關成纖維細胞（CAF）是構成TME重要組成部分的主要基質細胞類型。它們沉積了許多纖維化基質分子，形成一個密集的網絡，導致基質硬化、疾病進展和炎癥反應。免疫環境在腫瘤發生中也起著至關重要的作用。在一些惡性腫瘤中，持續的炎癥與腫瘤的發展和進展有關，免疫細胞浸潤并聚集在TME中，建立了促進腫瘤發生的獨特生態位。
用于重建TME的工具
作者討論了由于實體瘤的異質性，工程腫瘤組織面臨的挑戰，以及整合不同細胞類型以重建腫瘤微環境（TME）復雜性的重要性。各種生物材料，包括天然生物材料、復合生物材料和合成生物材料，已經被開發來模擬TME，但每種類型的生物材料都有局限性。膠原等天然生物材料的機械特性較差，而聚乙二醇等合成生物材料對單個蛋白質的控制更為精確，但難以控制生物活性信號的局部可用性。復合生物材料結合了天然和合成聚合物，在部分復制TME中蛋白質和糖基成分的復雜混合物方面顯示出了希望。文章強調了腫瘤組織工程多學科方法的重要性，將材料科學、生物學和醫學相結合，以開發藥物發現和個性化醫學的有效模型。
生物工程化原發腫瘤生態位
使用組織模型重建原發腫瘤生態位需要重建腫瘤組織的細胞和細胞外元素。重要成分包括改變的ECM和癌癥，以及與可溶性因子結合的基質細胞，這些可溶性因子可以重建癌癥細胞的代謝和炎癥特征。組織工程方法通過結合水凝膠基質和支持原發腫瘤部位細胞-細胞和細胞-基質相互作用的多細胞3D培養物，幫助模擬這些生物力學、生物化學和生理學特性。
圖|應用腫瘤工程模型研究原發性腫瘤、轉移和抗癌治療
生物工程化轉移前和轉移灶
轉移是一個多步驟的過程，其中細胞從原發腫瘤遷移，侵入鄰近組織，侵入血管，存活直到到達遠處的器官并定植新的器官。細胞啟動二次腫瘤的小生境提供了基質信號，這些信號對這種擴張過程至關重要。由于90%以上的患者死于轉移性病變，已經做出了巨大的努力來模擬轉移前和轉移灶。為了模擬這一過程，研究人員已經使用了結合微流體平臺和高通量技術的生物材料。
圖|生物工程轉移前和轉移生態位
生物工程化細胞對治療的反應
迄今為止，3D體外模型尚不足以測試藥物反應。目前，在臨床前研究中測試的腫瘤藥物中，只有不到5%的藥物在臨床試驗中獲得成功。因此，需要改進3D癌癥模型，以重現臨床場景，研究患者對抗癌藥物的特定反應。腫瘤工程模型結合微流體平臺和高通量組學技術為癌癥研究提供了一種創新方法。領域包括：藥物篩選和個性化醫療、免疫療法。
腫瘤工程模型使癌癥細胞能夠生長、遷移和侵襲，以及研究藥物反應。在癌癥組織工程中，還采取措施整合腫瘤-基質相互作用和TME的其他元素。為了有效地代表由特定組織TME包圍的特定癌癥類型，利用了諸如設計具有可修改的機械特性的生物材料基質等策略。此外，使用其他學科的當代組學方法可以改善癌癥患者的治療和臨床結果。組織工程技術與癌癥研究的結合始于20多年前，通過3D癌癥模型和3D支架工程乳腺腫瘤組織。這兩個領域之間的協同作用對于加快我們在21世紀的研究進展至關重要。
圖|組織工程和腫瘤生物學的融合
小結
基于多材料或3D打印支架的先進3D腫瘤學方法正在成為評估新療法的療效和安全性、聯合療法的潛力以及高通量藥物發現的強大臨床前平臺。臨床前3D平臺整合患者來源的細胞，以篩選靶向療法、個性化藥物或免疫療法。
盡管取得了這些進展，但一些限制因素阻礙了工程師和生物學家之間的協同研究工作。用于交流合作研究數據的術語經常被誤用或誤導，例如，“仿生”或“生物支架”的含義。目前，仍需要專業用戶培訓來操作。
當前3D癌癥模型的一個主要挑戰是，用于研究轉移定植過程和復雜性的平臺目前大多是微加工的或基于微流體的。這限制了不熟悉這些技術的研究人員以及大規模和長期3D研究的性能。循環腫瘤細胞具有內在機制，可以在血液中生存，找到支持性組織微環境并侵入遠處器官。不同轉移前途徑的數量、轉移灶的模式、機械環境和耐藥癌癥細胞使設計組織特異性轉移模型變得極為困難。然而，組織工程骨腫瘤模型代表了癌癥細胞如何定植骨龕的轉化方法，可進一步用于臨床前藥物測試。人性化的3D疾病模型將幫助我們了解疾病進展和治療抵抗的基本、分子和機械機制，無疑將在癌癥和轉化醫學方面取得突破。
另一個限制是設計逼真或生理相關的3D癌癥模型的復雜性以及相關的分析困難。包含多種細胞群和生物材料使單個細胞類型和TME成分的行為和功能的確定變得復雜。降解或分離水凝膠和支架以進行細胞恢復和分離的技術，同時限制細胞損失，目前正在完善中。需要進行多層次的生物學分析，以確定細胞對模型參數、TME因素和藥物治療的變化的反應。迄今為止，3D模型結果的驗證僅限于結合患者來源的細胞、將結果與臨床結果相關聯以及使用多組學技術。預測或監管要求也阻礙了它們的廣泛使用。
本文回顧的策略強調了聚合物化學家、生物工程師和細胞和分子生物學家之間合作研究的必要性，以充分利用不斷擴展的基于生物材料的3D技術。預計這將促進跨學科思維和研究努力。
盡管仍存在一些挑戰，但腫瘤組織工程的未來看起來很光明。這種方法將有助于提高我們對基本過程的理解，并為不同類型的癌癥開發更有效的治療方法。3D細胞生物學現在已經進入第四維，組織工程繼續提供操縱生物分子和細胞的工具。先進的生物制造技術，如添加劑制造、分子自組裝或其組合，提高了構建生物相關結構的能力。這些能力使3D對象和微環境的設計成為可能，在其上可以進行空間和時間控制，并且可以響應和適應外部刺激，例如水、光或溫度。在未來，這些新的生物啟發材料可能會導致更復雜和定制的3D癌癥模型。
參考文獻：
Curvello, R., Kast, V., Ordó?ez-Morán, P. et al. Biomaterial-based platforms for tumour tissue engineering. Nat Rev Mater (2023).
https://doi.org/10.1038/s41578-023-00535-3
