組織工程為癌癥研究提供了創(chuàng)新工具。基于分子設計的生物材料的3D癌癥模型旨在利用腫瘤組織的維度以及生物力學和生化特性。然而，迄今為止，盡管細胞外基質在癌癥中起著關鍵作用，但只有少數(shù)3D癌癥模型建立在基于生物材料的基質上。避免這一關鍵設計特征的主要原因是難以重現(xiàn)腫瘤微環(huán)境的固有復雜性以及實用分析和驗證技術的可用性有限。在超分子化學、材料科學和腫瘤生物學界面上出現(xiàn)的最新進展正在產(chǎn)生新的方法來克服這些界限，并能夠設計生理相關的3D模型。

近日，來自澳大利亞蒙納士大學的Alvaro Mata & Daniela Loessner團隊討論了如何將這些3D系統(tǒng)應用于解構和設計腫瘤微環(huán)境，為模擬原發(fā)性腫瘤，轉移和對抗癌治療的反應提供了機會。相關論文“Biomaterial-based platforms for tumour tissue engineering”于2023年2月14日在線發(fā)表于雜志《Nature Reviews Materials》上。

在腫瘤組織工程中，生物材料是構建能夠模擬實體腫瘤組織維度、組織和功能的三維癌癥模型的關鍵成分。基于合成聚合物、生物聚合物和肽等構建塊的各種水凝膠和支架材料用于組織工程和再生醫(yī)學應用，并用作3D癌癥模型的基礎基質。新的工程方法能夠合理設計具有多種結構和信號成分的水凝膠和支架材料，以更準確地再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境（TME）的異質性。作者首先介紹了腫瘤生物學中的關鍵參數(shù)（癌相關成纖維細胞（CAF）、免疫細胞、內皮細胞、脂肪細胞、ECM蛋白和可溶性分子（如細胞因子、趨化因子或生長因子）），并介紹了用于模擬腫瘤組織的細胞組成和ECM的現(xiàn)有工具（圖1）。

 

圖1 腫瘤組織工程的概念

整合多種細胞類型來概括TME的細胞異質性對于構建腫瘤工程模型至關重要，腫瘤組織工程的最新技術使科學家能夠重建TME，以模擬發(fā)生在原發(fā)腫瘤和轉移灶內的特定事件，并支持開發(fā)更有效的治療方法（圖2）。

使用組織模型重建原發(fā)腫瘤生態(tài)位需要重建腫瘤組織的細胞和細胞外元素。組織工程方法通過結合水凝膠基質和支持原發(fā)腫瘤部位細胞-細胞和細胞-基質相互作用的多細胞3D培養(yǎng)物，幫助模擬這些生物力學、生物化學和生理學財產(chǎn)。作者討論了當代腫瘤工程模型，并總結了原發(fā)腫瘤和轉移灶模型的進展。

 

圖2 應用腫瘤工程模型研究原發(fā)性腫瘤、轉移和抗癌治療

轉移是一個多步驟的過程，其中細胞從原發(fā)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，目前已經(jīng)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，使用了結合微流體平臺和高通量技術的生物材料（圖3）。

 

圖3 生物工程轉移前和轉移灶

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TME4包圍的特定癌癥類型，利用了一些策略，如設計具有可修改的機械財產(chǎn)的生物材料基質（圖4）。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。

 

圖4 組織工程與腫瘤生物學的融合

最后，作者介紹了使用這些組織模型方法測試新治療方法的挑戰(zhàn)和機遇，以及對基于生物材料的平臺未來應用的展望。當前3D癌癥模型的一個主要挑戰(zhàn)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和大規(guī)模長期3D研究性能的研究人員的可訪問性。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。多種細胞凋亡和生物材料的加入使單個細胞類型和TME成分的行為和功能的測定變得復雜。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(shù)、TME因素和藥物治療的變化的反應。

文章來源：EngineeringForLife

https://doi.org/10.1038/s41578-023-00535-3