基于GelMA水凝膠構(gòu)建3D腫瘤模型

來源： EngineeringForLife

水凝膠的3D體外模型具有作為藥物發(fā)現(xiàn)和生物性能篩選的臨床前測試平臺的潛力，在ECM水凝膠3D體外模型中選擇一種模仿疾病的細胞排列對于評估抗癌治療性能至關(guān)重要。為了研究不同細胞排列的影響，近期，圣地亞哥大學João F. Mano教授團隊在Biomaterials Science期刊上發(fā)表了題為“Hydrogel 3D Invitro Tumor Models for Screening Cell Aggregation Mediated Drug Response”的文章。開發(fā)了一種密集的3D球形微腫瘤和載有GelMA和Matrigel ECM模擬支架的載有細胞的MG-63骨肉瘤平臺。這種平臺使癌細胞/ 3D微組織成熟和lorlatinib藥物性能篩選成為可能。通過液體覆蓋技術(shù)進行的初始3D球體組裝，實現(xiàn)了密集的細胞聚集體的制造，其大小，形態(tài)和壞死核的形成均具有可復(fù)制性，從而模仿了天然腫瘤。

3D球體可以更好地模擬致密的實體人類腫瘤的特征，包括從增生外緣到腫瘤核心的養(yǎng)分，氧氣和pH梯度的建立。圖1A是通過超低粘附力（ULA）板中的液體覆蓋技術(shù)組裝骨肉瘤球體的示意圖。圖1B通過光學對比顯微鏡的3D球體形態(tài)分析。制備出的MG-63球體的細胞密度為3萬個細胞（SP-30），直徑約為470-500 μm。

圖1 具有不同細胞密度SP10-10 000，SP20-20 000和SP30-30 000細胞的3D MG-63球體的優(yōu)化，以及它們從培養(yǎng)3到14天的進化

作者通過使用Calcein-AM和PI（活/死分析）評估3D腫瘤球體重塑類似于體內(nèi)實體瘤的特征性壞死核的能力。如圖2所示，熒光顯微鏡觀察了在培養(yǎng)7天和14天時SP10-10 000，SP20-20 000和SP30-30 000細胞中壞死核心的形成（紅色通道）。不同條件的比較顯示，在具有20000（SP-20）和3000細胞（SP-30）的模型中培養(yǎng)14天后，可見壞死核心的形成。

圖2 使用液體覆蓋技術(shù)建立的MG-63 3D球體的活/死分析

圖3A為載有細胞和嵌入3D球體的水凝膠腫瘤模型裝配的示意圖。分別測定了細胞和球狀水凝膠的活/死細胞活力；載有細胞的水凝膠以及在不同時間點嵌入3D球體的水凝膠的細胞生存力。該模型證明了緊湊的細胞骨架，即使摻入到水凝膠基質(zhì)中也具有良好的細胞間相互作用。同樣，在第14天，來自3D球體的癌細胞明顯侵入了周圍的GelMA基質(zhì)，顯示出了晚期腫瘤的關(guān)鍵特征。這些不同的結(jié)果清楚地表明了癌細胞在水凝膠中排列的影響，并強調(diào)了不僅要探索載有細胞的水凝膠的重要性，而且要在ECM模擬支架的設(shè)計階段為體外疾病建立3D球狀水凝膠模型。

圖3 在模擬ECM的水凝膠中體外3D骨肉瘤模型的表征

在這項研究中，研究人員評估了骨肉瘤細胞聚集狀態(tài)對體外疾病模型模擬體內(nèi)腫瘤關(guān)鍵特征的能力。通過使用不同的方法，包括液體覆蓋技術(shù)和光/熱交聯(lián)的水凝膠平臺，建立了三個不同的平臺-充滿細胞的水凝膠，3D球形嵌入的水凝膠和無支架的3D球形。在制造的模型中評估了形態(tài)和表型特征以及藥物反應(yīng)。與單細胞負載水凝膠相比，嵌入ECM模擬水凝膠中的3D球體提供了更好的平臺來概括其潛在的治療潛力和對治療劑的抵抗力。更重要的是，這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在模擬腫瘤模型的開發(fā)過程中評估多種聚集狀態(tài)的重要性，以利用它可進行藥物開發(fā)，篩選以及簡化基礎(chǔ)生物學研究。