癌癥是人類面臨的一大健康威脅。癌癥治療的難點之一在于它具有異質性，不同患者的腫瘤差異大，需要根據個體情況進行精準治療。臨床上，無論是手術前還是手術后，找出最有效的藥物對腫瘤患者的治療極其重要。但利用傳統的基因檢測和患者來源異種移植模型來篩選治療藥物，都存在不夠精準、檢測周期過長等問題。
在與癌癥斗爭的過程中，有沒有一種方法可以先打造“模擬戰場”挑選治療“武器”，確定哪些藥物對患者有效，再讓藥物“上戰場”，實施精準個性化治療？體外腫瘤模型的構建有望讓這一設想成為現實。
日前，清華大學機械系副教授姚睿團隊總結了將生物3D打印技術和類器官技術協同應用于體外腫瘤模型構建的策略，并提出這是該領域最具潛力的發展方向。通過研究整合性類腫瘤模型對于不同藥物的反應，可以快速篩選出最精準有效的抗腫瘤藥物，從而有望實現對腫瘤患者的精準治療。相關研究成果發表在《細胞》旗下期刊《生物技術前沿趨勢》上。
體外搭建“模擬戰場”助力腫瘤個性化治療
“武器”選得好不好，關鍵在于“模擬戰場”有多接近體內真實環境。姚睿介紹，體外構建整合性類腫瘤模型，首先要解決的就是仿生問題，要盡可能還原體內腫瘤生存的真實情況。
為了實現仿生，需要搞清楚體內的腫瘤細胞生活在什么樣的環境中。首先，腫瘤是基因變異帶來的細胞異常增生。變異不僅發生在腫瘤發展初期，更會伴隨著腫瘤演進的全過程。一邊演進，一邊變異。因此，體外模擬的一大目標是盡可能囊括腫瘤演進的各個階段。其次，患者體內聚集著大量腫瘤細胞和非腫瘤細胞，細胞間會相互作用，在模擬過程中也需要復刻這些群體細胞行為。最重要的是，體內的腫瘤生存在有機環境中，有一套復雜的營養供給、物質交換系統，研究人員還需要想辦法模擬這套有機系統。
為了在整合性類腫瘤模型中囊括腫瘤演進的各個階段，姚睿團隊從2013年開始從事基于生物3D打印的體外腫瘤模型構建研究，并嘗試將類器官作為基本單元進行生物3D打印操作。類器官是一種與體內組織類似、具有穩定表型和遺傳學特征，且能夠在體外長期培養的三維細胞復合體。目前，形成類器官的主要方式是通過細胞的自組裝。類器官技術能夠突破細胞間單純的物理接觸聯系，形成更加緊密的細胞間生物通信，使細胞相互作用，協作發育并形成具有功能的迷你器官或組織。
傳統生物3D打印的做法，是以單個腫瘤細胞為原材料，讓腫瘤細胞在生物材料中彌散分布，堆疊成三維結構體。然而，真實的腫瘤團內存活著性狀各異的腫瘤細胞和非腫瘤細胞，僅用單個腫瘤細胞為原料難以模擬出真實腫瘤團生存的復雜環境。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胞類型，在模型構建上克服細胞同質性，更好地還原患者對抗癌藥物反應的個性化差異。“我們可以將類器官視為一個完整的小型‘生態系統’。以類器官作為生物3D打印的基本單元，有利于模擬真實的腫瘤環境這一大型‘生態系統’。”論文第一作者、清華大學博士生王曉宇說。
確定好了體外模擬的尺度，還需要解決3D腫瘤模型的物質交換問題。在體內，這一過程是通過血管等管道來完成的。王曉宇介紹，運用器官芯片技術，恰好能夠模擬人體內管道的功能。器官芯片技術就是利用微加工技術，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。除了具有微型化、集成化、低消耗的特點外，器官芯片技術能夠精確控制化學濃度梯度、流體剪切力等多個系統參數，構建細胞圖形化培養、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雜結構、微環境和生理學功能。但器官芯片技術目前仍需解決如何實現精準無損檢測和批量穩定制備等難題。
三種技術共同還原體內腫瘤生存真實情況
構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協同工作。姚睿介紹，一般流程是先在體外構建出立體的類器官，把類器官作為基本單元，混在生物材料中構建三維結構體。傳統的類器官構建方法中，細胞會緊緊挨在一起，中間的細胞就容易因為缺氧或缺乏營養物質而死亡。體內的腫瘤很“聰明”，會誘導血管長到自己內部來提供養分，但類器官通常缺乏這種機制。而利用生物3D打印可以制造“血管”，通過培養液為類器官提供營養物質和氧氣。因此，生物3D打印的方法彌補了類器官技術的局限性，能夠有效模擬出更像體內腫瘤組織的微環境。
3D打印類器官技術雖然有效模擬了腫瘤微環境的異質性成分，但與重現體內腫瘤演進過程仍有一定距離。這是因為體內腫瘤演進過程依賴于腫瘤—免疫互作、多器官相互作用和功能性循環系統，而這些要素在靜態培養的腫瘤模型中會被簡化。如果將器官芯片與3D打印結合，就可以構建出具備層級結構的血管網絡。模擬腫瘤浸潤與外周免疫成分，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胞；另一種是直接用3D打印組裝生物材料、細胞和芯片材料，一體成型。在腫瘤轉移的研究中，將兩者結合能夠通過微循環系統將原發腫瘤與潛在的轉移區連接起來，為研究腫瘤轉移期間復雜的多器官相互作用提供可能。
“生物3D打印技術的加入，提升了整合性類腫瘤模型的穩定一致性、結構仿真度和自動化程度。”姚睿說，普通的類器官完全基于細胞的自組裝，有很大的隨機性，這給驗證實驗的可重復性帶來了挑戰。團隊應用工程化的方法構建了自動化平臺，提高了整合性類腫瘤模型的構建產率。利用生物3D打印技術，可以在構建腫瘤團之前，先在電腦中預先設計需要的模型。在建造“房子”的過程中，通過電腦程序控制生物材料、細胞以及其他生物因子的排列組合，可以創造出在關鍵功能上替代生物器官與組織且具備生物活性的有機體。
“目前，生物3D打印技術已經與自動化培養、無損檢測等技術融合，能夠自動化完成模型的構建、檢測、觀察和結果分析。例如，在結果分析階段，可以利用無損成像和AI技術進行類器官識別和自動分析。自動化不僅帶來了高效率，還大大減少了實驗誤差，提高了實驗的可操作性和可重復性。”姚睿介紹。
從實驗室走向臨床應用還有多遠
接近體內真實環境的腫瘤類器官模型構建好了，但真正要用它來攻克癌癥，仍有很長的一段路要走。
“成本高昂是目前制約整合性類腫瘤模型進一步走向臨床應用的一大因素。比起傳統的二維培養，腫瘤類器官是更為仿生的三維細胞培養，技術難度更大、資源投入更多。此外，由于細胞在三維結構中增殖速度較慢、培養周期較長，因此維護成本也更高。”姚睿介紹。
缺乏統一的標準和方法，也是整合性類腫瘤模型臨床應用面臨的一大問題。由于新技術不夠成熟，因此迫切需要標準和方法來評估比較不同實驗室的體外培養結果，以實現研究結果的可復制和可驗證。在臨床應用階段，還可能會涉及如何評估合規性、如何定價、醫保如何覆蓋等社會問題。
在與癌癥斗爭的道路上，構建體外模擬“武器試驗場”，有望幫助人類篩選“武器”，降低藥物開發成本，提高藥物開發效率。盡管這一技術目前還處于起步階段，但其在仿真性和可復制性上已經展現出強大的能力。“可以預見，隨著3D打印和類器官技術的更新迭代，相關評價標準將日趨完善，臨床應用也將逐漸普及。”姚睿認為，通過推動企業作為創新主體與科研機構良性互動，在臨床醫生、生物學家和工程師的跨學科努力下，這一新技術惠及癌癥患者或指日可待。
癌癥是人類面臨的一大健康威脅。癌癥治療的難點之一在于它具有異質性，不同患者的腫瘤差異大，需要根據個體情況進行精準治療。臨床上，無論是手術前還是手術后，找出最有效的藥物對腫瘤患者的治療極其重要。但利用傳統的基因檢測和患者來源異種移植模型來篩選治療藥物，都存在不夠精準、檢測周期過長等問題。
在與癌癥斗爭的過程中，有沒有一種方法可以先打造“模擬戰場”挑選治療“武器”，確定哪些藥物對患者有效，再讓藥物“上戰場”，實施精準個性化治療？體外腫瘤模型的構建有望讓這一設想成為現實。
日前，清華大學機械系副教授姚睿團隊總結了將生物3D打印技術和類器官技術協同應用于體外腫瘤模型構建的策略，并提出這是該領域最具潛力的發展方向。通過研究整合性類腫瘤模型對于不同藥物的反應，可以快速篩選出最精準有效的抗腫瘤藥物，從而有望實現對腫瘤患者的精準治療。相關研究成果發表在《細胞》旗下期刊《生物技術前沿趨勢》上。
體外搭建“模擬戰場”助力腫瘤個性化治療
“武器”選得好不好，關鍵在于“模擬戰場”有多接近體內真實環境。姚睿介紹，體外構建整合性類腫瘤模型，首先要解決的就是仿生問題，要盡可能還原體內腫瘤生存的真實情況。
為了實現仿生，需要搞清楚體內的腫瘤細胞生活在什么樣的環境中。首先，腫瘤是基因變異帶來的細胞異常增生。變異不僅發生在腫瘤發展初期，更會伴隨著腫瘤演進的全過程。一邊演進，一邊變異。因此，體外模擬的一大目標是盡可能囊括腫瘤演進的各個階段。其次，患者體內聚集著大量腫瘤細胞和非腫瘤細胞，細胞間會相互作用，在模擬過程中也需要復刻這些群體細胞行為。最重要的是，體內的腫瘤生存在有機環境中，有一套復雜的營養供給、物質交換系統，研究人員還需要想辦法模擬這套有機系統。
為了在整合性類腫瘤模型中囊括腫瘤演進的各個階段，姚睿團隊從2013年開始從事基于生物3D打印的體外腫瘤模型構建研究，并嘗試將類器官作為基本單元進行生物3D打印操作。類器官是一種與體內組織類似、具有穩定表型和遺傳學特征，且能夠在體外長期培養的三維細胞復合體。目前，形成類器官的主要方式是通過細胞的自組裝。類器官技術能夠突破細胞間單純的物理接觸聯系，形成更加緊密的細胞間生物通信，使細胞相互作用，協作發育并形成具有功能的迷你器官或組織。
傳統生物3D打印的做法，是以單個腫瘤細胞為原材料，讓腫瘤細胞在生物材料中彌散分布，堆疊成三維結構體。然而，真實的腫瘤團內存活著性狀各異的腫瘤細胞和非腫瘤細胞，僅用單個腫瘤細胞為原料難以模擬出真實腫瘤團生存的復雜環境。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胞類型，在模型構建上克服細胞同質性，更好地還原患者對抗癌藥物反應的個性化差異。“我們可以將類器官視為一個完整的小型‘生態系統’。以類器官作為生物3D打印的基本單元，有利于模擬真實的腫瘤環境這一大型‘生態系統’。”論文第一作者、清華大學博士生王曉宇說。
確定好了體外模擬的尺度，還需要解決3D腫瘤模型的物質交換問題。在體內，這一過程是通過血管等管道來完成的。王曉宇介紹，運用器官芯片技術，恰好能夠模擬人體內管道的功能。器官芯片技術就是利用微加工技術，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。除了具有微型化、集成化、低消耗的特點外，器官芯片技術能夠精確控制化學濃度梯度、流體剪切力等多個系統參數，構建細胞圖形化培養、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雜結構、微環境和生理學功能。但器官芯片技術目前仍需解決如何實現精準無損檢測和批量穩定制備等難題。
三種技術共同還原體內腫瘤生存真實情況
構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協同工作。姚睿介紹，一般流程是先在體外構建出立體的類器官，把類器官作為基本單元，混在生物材料中構建三維結構體。傳統的類器官構建方法中，細胞會緊緊挨在一起，中間的細胞就容易因為缺氧或缺乏營養物質而死亡。體內的腫瘤很“聰明”，會誘導血管長到自己內部來提供養分，但類器官通常缺乏這種機制。而利用生物3D打印可以制造“血管”，通過培養液為類器官提供營養物質和氧氣。因此，生物3D打印的方法彌補了類器官技術的局限性，能夠有效模擬出更像體內腫瘤組織的微環境。
3D打印類器官技術雖然有效模擬了腫瘤微環境的異質性成分，但與重現體內腫瘤演進過程仍有一定距離。這是因為體內腫瘤演進過程依賴于腫瘤—免疫互作、多器官相互作用和功能性循環系統，而這些要素在靜態培養的腫瘤模型中會被簡化。如果將器官芯片與3D打印結合，就可以構建出具備層級結構的血管網絡。模擬腫瘤浸潤與外周免疫成分，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胞；另一種是直接用3D打印組裝生物材料、細胞和芯片材料，一體成型。在腫瘤轉移的研究中，將兩者結合能夠通過微循環系統將原發腫瘤與潛在的轉移區連接起來，為研究腫瘤轉移期間復雜的多器官相互作用提供可能。
“生物3D打印技術的加入，提升了整合性類腫瘤模型的穩定一致性、結構仿真度和自動化程度。”姚睿說，普通的類器官完全基于細胞的自組裝，有很大的隨機性，這給驗證實驗的可重復性帶來了挑戰。團隊應用工程化的方法構建了自動化平臺，提高了整合性類腫瘤模型的構建產率。利用生物3D打印技術，可以在構建腫瘤團之前，先在電腦中預先設計需要的模型。在建造“房子”的過程中，通過電腦程序控制生物材料、細胞以及其他生物因子的排列組合，可以創造出在關鍵功能上替代生物器官與組織且具備生物活性的有機體。
“目前，生物3D打印技術已經與自動化培養、無損檢測等技術融合，能夠自動化完成模型的構建、檢測、觀察和結果分析。例如，在結果分析階段，可以利用無損成像和AI技術進行類器官識別和自動分析。自動化不僅帶來了高效率，還大大減少了實驗誤差，提高了實驗的可操作性和可重復性。”姚睿介紹。
從實驗室走向臨床應用還有多遠
接近體內真實環境的腫瘤類器官模型構建好了，但真正要用它來攻克癌癥，仍有很長的一段路要走。
“成本高昂是目前制約整合性類腫瘤模型進一步走向臨床應用的一大因素。比起傳統的二維培養，腫瘤類器官是更為仿生的三維細胞培養，技術難度更大、資源投入更多。此外，由于細胞在三維結構中增殖速度較慢、培養周期較長，因此維護成本也更高。”姚睿介紹。
缺乏統一的標準和方法，也是整合性類腫瘤模型臨床應用面臨的一大問題。由于新技術不夠成熟，因此迫切需要標準和方法來評估比較不同實驗室的體外培養結果，以實現研究結果的可復制和可驗證。在臨床應用階段，還可能會涉及如何評估合規性、如何定價、醫保如何覆蓋等社會問題。
在與癌癥斗爭的道路上，構建體外模擬“武器試驗場”，有望幫助人類篩選“武器”，降低藥物開發成本，提高藥物開發效率。盡管這一技術目前還處于起步階段，但其在仿真性和可復制性上已經展現出強大的能力。“可以預見，隨著3D打印和類器官技術的更新迭代，相關評價標準將日趨完善，臨床應用也將逐漸普及。”姚睿認為，通過推動企業作為創新主體與科研機構良性互動，在臨床醫生、生物學家和工程師的跨學科努力下，這一新技術惠及癌癥患者或指日可待。
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