浙江大學：3D打印構建全血管網絡及腫瘤-血管相互作用初探

來源：EngineeringForLife

人體的營養(yǎng)輸送、藥物作用、腫瘤遷移等主要依賴血供系統(tǒng)，因而血供循環(huán)系統(tǒng)（動脈-毛細血管-靜脈）的體外重建可為從整體角度模擬人體的各種生理行為提供可能。這個系統(tǒng)重建主要有兩個要點：
1）尺寸上要包含數(shù)mm的血管到數(shù)10微米的毛細血管這樣一個多級網絡；
2）這個多級網絡要具有血管的很多生理功能。

在載有細胞的生物材料（水凝膠）內建立完整的血供循環(huán)系統(tǒng)（動脈-毛細血管-靜脈）對構建體外生理病理模型具有十分重大的意義。但是現(xiàn)有的血管構建手段普遍局限在某一特定的尺度范圍內，并且對于毛細血管網絡的重現(xiàn)十分有限，大多依靠昂貴的化學誘導。此外，迄今為止缺乏一種靈活構建個性化組織器官體外模型的通用方法，這嚴重制約了疾病研究以及藥物開發(fā)的進展。

有沒有可能發(fā)展出可以同時構造包含大血管和毛細血管的整個血管網絡的新方法？有沒有可能發(fā)展出一種可以靈活構建具有個性化結構和功能的體外模型的新方法？考慮到水凝膠材料有優(yōu)異生物兼容性，這幾年浙江大學機械工程學院賀永教授課題組一直在探索直接基于水凝膠直接構造微流控芯片以及體外組織/器官模型。包括用生物3D打印的方法直接打印血管網絡結構(Biomaterial,2015,61,203-215;ACS biomaterials science & engineering, 2017,3, 99-408;Small,2018,14,1802630; Small,2018,14,1802187等），利用水凝膠的交聯(lián)特性提出了水凝膠微流控芯片全新的封裝思路，二次交聯(lián)封裝方法（Small，2018,14,1802368）。

近期課題組發(fā)明了一種在水凝膠材料上制造多級血管網絡的新方法：通過課題組研發(fā)的高精度3D打印機打印多級的流道網絡模板，利用二次交聯(lián)原理實現(xiàn)水凝膠流道的封裝。我們成功的在體外重建的完整的血供網絡（動脈-毛細血管-靜脈），以及高度分叉網絡，螺旋血管，血管狹窄等。建立了具有功能性血管網絡的大塊乳腺腫瘤組織。

考慮到目前腫瘤致病機理研究一直缺乏可靠的體外平臺，我們還探究了一個設想：有無可能在體外觀測到腫瘤的轉移行為？（腫瘤細胞何時能侵入血管，何時又再穿透血管實現(xiàn)腫瘤轉移？）為此我們基于多級血管網絡構建了一個血管-腫瘤共培養(yǎng)模型，為研究腫瘤和血管之間的相互作用提供了新思路。在此模型上進行了腫瘤細胞的遷移模擬，抗腫瘤藥物的篩選，以及腫瘤發(fā)展過程的模擬。內置血管為研究腫瘤細胞跨內皮行為以及血管對藥物的屏障功能提供了可行的工具。這一新方法還可用于構造更多有意義的體外模型，有望廣泛應用于含血管結構的體外病理模型的構建中。

圖1. 多尺度血管芯片構建流程（1、多級流道網絡設計；2、高精度模版打�。�3、水凝膠澆注；4、模版去除；5、通過二次交聯(lián)鍵合上下兩片水凝膠；6、細胞加載）

圖2.高精度3D打印相關工藝參數(shù)與流道網絡圖案（融合了擠出及近場直寫兩種3D打印工藝，可實現(xiàn)3μm的打印精度）

為了驗證此方法構造多尺度結構的可行性以及個性化結構的靈活性，研究者分別構建了不同尺度的血管流道，并構造了多種具有生理學意義的形態(tài)的血管模型：分叉血管網絡、螺旋血管、血管狹窄。

圖3.具有不同尺度和形態(tài)的內皮化流道

為了驗證此方法用于構建大塊血管化組織的能力，研究者利用此方法構建了一個包含有內部功能化血管網絡的乳腺腫瘤組織，內部血管網絡展現(xiàn)出血管的生理學和病理學功能。

圖4. 血管化的腫瘤組織模型

為了初步探索腫瘤組織與血管之間的相互作用，研究者設計并構造了一個平行流道模型用于腫瘤組織和血管的共培養(yǎng)。并在此模型上模擬了腫瘤細胞的遷移行為，以及血管對抗腫瘤藥物的內皮屏障功能。

圖5.腫瘤細胞遷移和抗腫瘤藥物篩選

腫瘤的發(fā)展經歷了一系列階段，借助于平行流道模型，研究人員重現(xiàn)了腫瘤發(fā)展過程中的幾個關鍵步驟：原位腫瘤形成，腫瘤血管化，以及腫瘤細胞向血管的遷移。

圖6. 腫瘤發(fā)展過程模擬

本研究提出了一種多尺度血管芯片，并提供了一種靈活構建帶有血管結構的生理模型的通用策略。借助于此結合多尺度三維打印以及二次交聯(lián)的工藝，科研人員將能夠構建一系列體外模型用于生物醫(yī)學研究，如腫瘤發(fā)展過程的研究，腫瘤和血管相互作用的探索，以及抗腫瘤藥物的篩選等。

相關論文“Construction of multi-scale vascular chips and modelling of theinteraction between tumours and blood vessels”已被RSC雜志社的旗艦期刊MaterialsHorizons（IF=14.356）錄用。聶晶博士生、高慶博士后及謝超淇博士生共一，賀永教授為通訊作者。論文鏈接：https://doi.org/10.1039/C9MH01283D。

課題組的研究工作獲得了國家優(yōu)秀青年基金、國家基金兩化融合聯(lián)合基金重點、國家重點研發(fā)計劃的資助，特此表示感謝。