3D打印纖維結構在癌癥中的重要性及其對生物材料模型設計的影響

來源： EFL生物3D打印與生物制造

改善臨床反應預測的需求正在推動具有增強生理相關性的癌癥模型的發(fā)展。當前，一個新的“精準生物材料”概念正在浮現，它包括模擬患者的生物材料模型，這些模型旨在通過精確復制關鍵的微環(huán)境特征來準確地檢測、治療和模擬癌癥。盡管最近的進展允許在體外復制組織類似的硬度和分子組成，但復制腫瘤細胞外基質（ECM）中發(fā)現的3D纖維結構的方法仍然相對未經探索。

來自英國諾丁漢大學的J. C. Ashworth團隊與來自澳大利亞加文醫(yī)學研究所的T. R. Cox團隊合作總結了已知的腫瘤纖維結構的作用，強調了它們在細胞-基質相互作用以及最終的臨床結果中的影響。本文探討了在體外復制特定組織的3D纖維結構的挑戰(zhàn)，突出了相關的生物材料制造技術及其優(yōu)勢和局限性。最后，討論了成像和圖像分析技術（聚焦于針對膠原蛋白I優(yōu)化的方法），這可能是將特定于腫瘤的ECM映射到高保真生物材料模型的關鍵。本研究團隊預計，一個跨學科的方法，結合材料科學、癌癥研究和圖像分析，將闡明3D纖維結構在腫瘤發(fā)展中的作用，從而引領下一代模擬患者的模型，用于機制研究和藥物發(fā)現。相關工作以題為“The importance of 3D fibre architecture in cancer and implications for biomaterial model design”的綜述文章發(fā)表在2024年06月17日的期刊《Nature reviews cancer》。  

盡管目前已經有大量的研究集中在設計具有組織真實硬度的生物材料上，但復制癌癥基質中發(fā)現的復雜3D纖維結構在一個高保真的可擴展生物材料模型中仍然是一個未滿足的挑戰(zhàn)。雖然具有控制成分的模型通常專注于改變單個或少量ECM（細胞外基質）成分的相對比例，但它們復制原生組織中發(fā)現的特定纖維圖案、方向和特征尺寸的潛力相對來說還未被探索。這部分受到了腫瘤中ECM結構巨大異質性的阻礙。本綜述解決了這一知識空白，強調了這種組織真實的生物材料模型對纖維結構的需求，討論了其設計和制造所涉及的挑戰(zhàn)，并概述了目前用于體外復制特定組織3D纖維網絡的尖端技術。本文強調需要多學科方法來設計下一代精準組織模型，將材料科學中的新創(chuàng)新與先進的顯微鏡技術和圖像分析技術相結合（圖1）。本文將“纖維”定義為生物材料或組織內的任何細長結構單元，包括由ECM蛋白和合成物質組成的那些。

圖1 設計和制造具有組織匹配的3D纖維結構的精準生物材料的方法

【3D纖維結構在癌癥中的作用】

細胞外基質（ECM）大致可分為兩個組成部分：間質基質和基底膜。在正常、非病變的組織中，ECM經歷持續(xù)的重塑，但這一過程在癌癥中變得失調，導致ECM沉積和降解的變化。在癌癥中觀察到間質基質和基底膜的重塑，例如，基底膜的喪失會破壞頂-底極性，使上皮細胞與間質基質接觸。

在最早研究纖維組織與患者預后之間聯(lián)系的開創(chuàng)性工作中主要的焦點是乳腺癌。長期以來，人們已經認識到，與基質蛋白增加相關的乳房X線密度是與乳腺癌發(fā)病最強烈的獨立風險因素之一。最近，來自高乳房X線密度區(qū)域的組織被發(fā)現長、排列整齊的纖維狀膠原束的普遍存在增加了，而不是與無定形膠原的水平有關。在一項里程碑式的研究中，使用二次諧波成像顯微鏡對人乳腺癌的活檢組織切片進行了成像，并根據腫瘤邊界處膠原纖維的存在和排列對其進行了分類，定義了一組與腫瘤相關的膠原特征（TACS）。在乳腺癌的小鼠模型中，將TACS級別從TACS-1增加到TACS-3，代表了從早期到晚期腫瘤發(fā)生的轉變，這與局部細胞定向侵襲的增加相對應。在臨床樣本中，TACS-3評分也是一個與疾病特異性和無病生存率差的獨立預后因素。最近的研究表明，腫瘤在大長度尺度上具有高度異質性結構。通過考慮離腫瘤邊界更遠的膠原結構的其他類別，可能會提高TACS評分的預后價值。

類似于TACS特異性纖維組織的特征也可以在其他腫瘤中觀察到，包括胰腺導管腺癌（PDAC）。在這里，代表侵襲通道的TACS-3樣結構不僅存在于早期癌前病變中，也存在于更晚期的疾病中。結合KPC小鼠模型中早期癌癥細胞擴散的證據，這表明TACS評分可能比使用標準組織學更能區(qū)分疾病進展。在其他腫瘤類型中，隨著疾病進展，3D膠原排列的其他方面也有所不同，但相關分類尚不明確。例如，在卵巢癌中，膠原纖維比正常組織更為卷曲（圖2c），但膠原排列的整體變化不太明確，且在患者之間和內部高度異質性。在基底細胞癌（BCC）中，膠原纖維排列的影響也很復雜，與正常組織和良性病變相比，BCC樣本中的排列增加。矛盾的是，與其他膠原纖維而不是腫瘤邊界相比，高度排列的束與最不具侵襲性的BCC亞型相關，與之前討論的TACS評分相反。重要的是，這項研究強調平行組織的膠原束仍然是BCC的有效標志物，而不是單個膠原纖維的參數（即寬度、長度、角度和直線度）。除了密度和排列之外，纖維特性在許多情況下也具有臨床相關性：例如，圍導管膠原纖維厚度增加已與PDAC患者的低生存率聯(lián)系起來（圖2b）。另一項最近的研究發(fā)現，纖維“直度”增加是指示非小細胞肺癌存在的一個潛在診斷標志。有趣的是，高纖維寬度和低纖維排列也與不良生存率相關，但僅在肺腺癌中，這凸顯了需要針對特定疾病考慮不同纖維架構的作用（圖2f）。   

圖2 在不同來源的癌癥中的纖維結構顯示出與各種結果的相關性   

【控制3D纖維結構的生物材料方法】

盡管先前已經廣泛討論了在癌癥研究中使用的許多不同的聚合物生物材料，但在本文關注的是如何開發(fā)和應用生物材料模型來研究與組織特異性3D纖維結構相關的癌癥進展機制（圖1b及圖3）。因為關于特定基質微結構如何改變腫瘤進展仍有許多未知，通常采用簡化的方法，即小心且穩(wěn)健地模仿少量基質參數，而不是復制在腫瘤中觀察到的全部復雜性（圖1a）。然而，必須注意到，旨在提出明確問題的簡化方法與準確復制組織復雜性之間存在一種微妙的平衡。

水凝膠被定義為具有高含水量特征的親水性聚合物網絡（圖3）。這些通常被細分為天然來源或合成水凝膠（圖3）。Matrigel可以說是最著名的天然來源水凝膠的例子，它已廣泛應用于腫瘤生長、侵襲和血管生成測定，最近還用于建立患者來源的類器官的“活體生物庫”。Matrigel是從Engelbreth-Holm–Swarm（EHS）小鼠腫瘤中提取的幾種商業(yè)可用水凝膠產品之一，被稱為基底膜提取物。然而，由于Matrigel的動物來源性質導致批次間的變異性和成分定義不明確，最近人們推動了更多定義明確的替代品的研究。

天然來源的水凝膠還可以包括膠原、藻酸鹽、明膠和透明質酸。在某些情況下，為了交聯(lián)，會加入合成組分或官能團，在這種情況下，水凝膠可能被視為“混合材料”。同樣，使用主要合成材料制造的水凝膠在癌癥研究中有重要應用。特別是，開創(chuàng)性的工作已經證明了聚乙二醇（PEG）作為Matrigel的替代品，成功擴展了小鼠和人源性腸類器官的應用。這些基于PEG的凝膠可以通過添加全長ECM蛋白、聚糖或ECM模擬肽序列進行功能化，進一步增強了系統(tǒng)的多功能性。同樣，由自組裝肽制成的合成水凝膠可以使用全長ECM蛋白和聚糖進行修飾。

鑒于其能夠模仿腫瘤微環(huán)境的關鍵特征，將水凝膠用于3D癌癥建模是一種流行的方法。這包括能夠在生理相關范圍內控制機械性質如硬度和粘彈性的能力，如其他地方所綜述的。在某些情況下，與天然來源的基質相比，合成系統(tǒng)可以提供對機械性質的更優(yōu)控制，特別是PEG凝膠的情況，它們也可以設計成具有機械動態(tài)性。這種合成系統(tǒng)還避免了天然來源水凝膠常見的可重復性問題，并使得相對成本有效地結合生物活性配體成為可能。然而，可以說，天然ECM考慮到了單個蛋白上多個結合位點的可能性，以及可能在癌變組織中看到的替代ECM異構體，例如那些來自剪接變體的結果。   

圖3 通過生物材料制造控制纖維結構的方法

【指導組織特異性模型設計】

盡管上一節(jié)中總結的技術的最終目標是產生能夠再現腫瘤微環(huán)境關鍵特征的3D模型，但實現這一目標需要對組織特異性纖維架構有詳細的了解。此外，盡管某些纖維特性與臨床結果相關聯(lián)，但使用生物材料完全復制腫瘤纖維結構仍然是一個挑戰(zhàn)。本文強調了有潛力準確映射腫瘤ECM的技術，它能夠促進向組織模擬生物材料設計的轉化（圖1）。   

生物材料設計的可擴展性和可重復性也可以通過使用3D打印模板或模具來增強。例如，一種簡單但創(chuàng)新的控制膠原排列的方法是使用3D可打印的楔形物，將涂有膠原的蓋玻片傾斜到一個受控的程度，依靠重力在產生的膠原基質內產生可重復的排列。同樣，學者們創(chuàng)建了一個模塊化的、可3D打印的系統(tǒng)，用于制造應用于冰模板的熱梯度，這可以在不需要專門設備的情況下采用。另一項研究從乳腺癌的SHG圖像中參數化了膠原纖維方向的梯度，并使用微流體系統(tǒng)在膠原凝膠中再現它們，該系統(tǒng)具有故意設計的可重復性，以允許其他研究實驗室使用。

【總結與展望】

當前，生物材料和3D圖像表征領域的研究正在快速發(fā)展，即將進入一個階段，在這個階段中，可以廣泛利用精確的腫瘤纖維架構模型。盡管已經可以獲得具有受控硬度和ECM組成的模型，但增加生物學上現實的纖維組織將增強組織真實模型的設計，這將影響基礎科學和藥物發(fā)現。本文建議，未來可以通過詳細的組織成像和纖維網絡參數化來指導高級生物材料的設計制造，這些生物材料具有組織真實的結構，然后對生物材料結構本身進行成像，以使其與原始組織相關聯(lián)。隨著允許3D建筑控制的這類生物材料技術的出現，很快將有可能闡明、功能性測試并驗證ECM組織在癌癥發(fā)展、藥物反應和最終患者結果中的關鍵作用。此外，組織特異性生物材料可以幫助預測治療效果，最終有助于患者分層，以提高治療成功的可能性。

此外，這些先進的生物材料也可能在精準醫(yī)療中有潛在應用。最近的研究已將生物材料模型應用于來自乳腺癌和胰腺癌患者的患者來源材料的擴展和培養(yǎng)，控制ECM硬度、組成和纖維排列。基于主要是無動物源的生物材料技術，這些方法可以替代、減少和改進如Matrigel等試劑的使用，用于維持和擴展患者來源的類器官。此外，基于組織組成和結構的聯(lián)合分析來工程化患者特異性生物材料是一個有前景的方法。開發(fā)Raman和質譜成像方法用于ECM組成的空間映射，結合新的3D圖案化生物材料功能化技術，可能會實現在高度先進的精準生物材料中對ECM纖維結構和組成的聯(lián)合空間控制。盡管該領域仍有關鍵性問題有待解決，但這種精準生物材料的未來應用非常有希望改善癌癥結果。通過材料科學家、癌癥研究人員以及組織成像和分析專家的跨學科團隊的協(xié)同努力，曾經遙不可及的患者特異性藥物篩選方法的目標正在穩(wěn)步推進。   

文章來源：         
https://doi.org/10.1038/s41568-024-00704-8