微流控生物制造技術(shù)在骨轉(zhuǎn)移建模中的研究進展

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在癌癥研究領(lǐng)域，骨轉(zhuǎn)移機制解析與治療策略開發(fā)依賴逼真的體外模型，而傳統(tǒng)二維培養(yǎng)無法模擬天然三維骨微環(huán)境的細胞-細胞、細胞-細胞外基質(zhì)相互作用及生物力學(xué)信號，動物模型則面臨物種差異與倫理限制。來自華沙理工大學(xué)的Mehdi Khanmohammadi教授和Wojciech Swieszkowski教授團隊，綜述了微流控生物制造技術(shù)在骨轉(zhuǎn)移建模中的研究進展，系統(tǒng)探討了基于水凝膠的球形/纖維狀模型、器官芯片平臺（如血管化腫瘤模塊、骨-腫瘤界面模型）的構(gòu)建方法，以及動態(tài)流體調(diào)控、多細胞共培養(yǎng)在模擬轉(zhuǎn)移級聯(lián)中的應(yīng)用。文中分析了現(xiàn)有技術(shù)在仿生基質(zhì)設(shè)計、免疫細胞整合、高通量藥物篩選中的突破與局限，并提出未來需通過多材料集成、生理力學(xué)信號模擬及患者來源細胞應(yīng)用，構(gòu)建更具臨床相關(guān)性的骨轉(zhuǎn)移微生理系統(tǒng)。相關(guān)工作以“Advances in microfluidic biofabrication technology for bone metastasis modeling”為題發(fā)表在《Biofabrication》上。

研究內(nèi)容
1. 微流控裝置設(shè)計用于骨轉(zhuǎn)移建模，圖1展示了微流控技術(shù)構(gòu)建的骨轉(zhuǎn)移模型裝置，包括球形載體（如微顆粒、微膠囊）、纖維狀結(jié)構(gòu)（實心芯、液體芯、多層微纖維）及器官芯片平臺（帶微孔陣列的雙/三隔室芯片）。裝置通過微通道內(nèi)流體操控，模擬腫瘤微環(huán)境中細胞-細胞外基質(zhì)相互作用及生物力學(xué)信號，支持多細胞共培養(yǎng)和動態(tài)梯度生成。      

圖1. 微流控裝置設(shè)計示意圖：用于體外骨轉(zhuǎn)移建模的球形載體、纖維結(jié)構(gòu)及器官芯片平臺。   

2. 三維球形腫瘤模型的制備與應(yīng)用，圖2呈現(xiàn)了水凝膠基球形模型（如微球、微膠囊），通過微流控芯片生成單分散微球，封裝腫瘤細胞（如乳腺癌細胞MDA-MB-231）和基質(zhì)成分（如PEG-纖維蛋白原）。模型可模擬腫瘤球體的營養(yǎng)梯度、藥物響應(yīng)及免疫細胞相互作用，例如圖3中PF水凝膠微球經(jīng)藥物處理后，活/死染色顯示細胞存活率與藥物濃度呈負相關(guān)。      

圖2. 三維球形腫瘤模型：細胞負載的水凝膠微顆粒及血管化腫瘤微型組織。      

圖3. 微流控制備的PF水凝膠微球藥物響應(yīng)分析：顯示腫瘤細胞活性隨藥物濃度增加而降低。

3. 多隔室球形與纖維狀結(jié)構(gòu)的仿生應(yīng)用，圖4展示了通過多流體電噴霧技術(shù)制備的雙層、并列、三層結(jié)構(gòu)微膠囊，用于封裝不同腫瘤細胞（如MDA-MB-231、MCF-10A）和正常細胞（如肺成纖維細胞），模擬腫瘤微環(huán)境的空間異質(zhì)性；圖5呈現(xiàn)了核-殼微膠囊的水-水-油雙乳液制備工藝，通過鈣交聯(lián)形成 Alg-Ca 凝膠殼，實現(xiàn)肝細胞與成纖維細胞的共培養(yǎng)。      

圖4. 多隔室微膠囊結(jié)構(gòu)：用于模擬腫瘤細胞與正常細胞的空間互作及轉(zhuǎn)移潛能。

圖5. 核-殼微膠囊制備流程：基于水-水-油雙乳液的細胞封裝與凝膠化過程。   

4. 纖維狀結(jié)構(gòu)與血管化腫瘤模型，圖6展示了同軸擠出制備的殼-核水凝膠微纖維（如外層膠質(zhì)干細胞GSC23、內(nèi)核膠質(zhì)瘤細胞U118），用于模擬腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性；圖7通過流聚焦技術(shù)構(gòu)建多隔室纖維，模擬癌癥-基底膜-基質(zhì)的空間互作，揭示成纖維細胞密度對腫瘤球體生長的抑制效應(yīng)。      

圖6. 殼-核水凝膠微纖維的生物打印結(jié)構(gòu)：用于研究腫瘤細胞間相互作用及藥物抗性基因表達。      

圖7. 多隔室纖維模型：模擬腫瘤細胞通過基底膜向基質(zhì)侵襲的動態(tài)過程。   

5. 器官芯片平臺模擬骨轉(zhuǎn)移級聯(lián)，圖8和圖10展示了多隔室器官芯片，其中圖8的三通道芯片（腫瘤/血管/骨基質(zhì)）通過流體剪切應(yīng)力模擬，揭示CXCL5/CXCR2信號通路促進乳腺癌細胞外滲至骨基質(zhì)；圖10的三培養(yǎng)平臺整合神經(jīng)元、破骨細胞和腫瘤細胞，研究交感神經(jīng)對骨轉(zhuǎn)移的調(diào)控作用。      

圖8. 骨轉(zhuǎn)移器官芯片：模擬腫瘤細胞外滲過程及化學(xué)梯度對轉(zhuǎn)移的影響。      

圖10. 神經(jīng)-腫瘤-骨細胞三培養(yǎng)微流控模型：探討交感神經(jīng)信號對骨轉(zhuǎn)移的促進機制。   

6. 骨血管周圍微環(huán)境與藥物響應(yīng)建模，圖9展示了骨血管周圍（BoPV）微芯片，通過脫細胞骨基質(zhì)與內(nèi)皮細胞、間充質(zhì)干細胞共培養(yǎng)，模擬骨轉(zhuǎn)移的血管 niche。模型顯示腫瘤細胞在間質(zhì)流作用下增殖緩慢但藥物抗性增強，驗證了血管周圍微環(huán)境對轉(zhuǎn)移的支持作用。      

圖9. 骨血管周圍微環(huán)境芯片：整合脫細胞骨基質(zhì)與血管網(wǎng)絡(luò)，研究腫瘤細胞定植機制。   

7. 免疫細胞與腫瘤轉(zhuǎn)移的微流控模型分析，圖11利用微流控血管網(wǎng)絡(luò)模型，展示單核細胞通過增強內(nèi)皮通透性促進腫瘤細胞外滲的過程。實驗顯示，與單核細胞共培養(yǎng)的腫瘤細胞外滲率顯著提高，且細胞間相互作用通過TNF-α等炎癥因子介導(dǎo)，揭示了免疫細胞在骨轉(zhuǎn)移中的關(guān)鍵促轉(zhuǎn)移作用。      

圖11. 微流控血管化模型中單核細胞與腫瘤細胞的相互作用：揭示免疫細胞對轉(zhuǎn)移的促進效應(yīng)。  

研究結(jié)論
本研究表明，微流控技術(shù)通過精準(zhǔn)操控流體、材料和細胞相互作用，為骨轉(zhuǎn)移建模提供了革命性工具。傳統(tǒng)二維培養(yǎng)和動物模型的局限性在三維微流控系統(tǒng)中得到顯著改善，后者可模擬骨微環(huán)境的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、動態(tài)力學(xué)信號及多細胞交互。研究顯示，基于水凝膠的球形、纖維狀模型及器官芯片平臺能有效再現(xiàn)腫瘤細胞黏附、外滲、血管生成等轉(zhuǎn)移關(guān)鍵步驟，并支持藥物篩選和機制研究。例如，血管化微流控模型揭示了CXCL5/CXCR2信號通路在腫瘤細胞骨定植中的作用，而免疫細胞整合模型則闡明了單核細胞對轉(zhuǎn)移的促進效應(yīng)。盡管現(xiàn)有技術(shù)在基質(zhì)仿生和長期培養(yǎng)方面仍有不足，未來通過多材料集成、患者來源細胞應(yīng)用及機械信號精準(zhǔn)模擬，微流控平臺有望構(gòu)建更貼近臨床的骨轉(zhuǎn)移微生理系統(tǒng)，為個性化治療開發(fā)提供關(guān)鍵支撐。相關(guān)成果為骨轉(zhuǎn)移研究提供了跨學(xué)科視角，推動了腫瘤仿生模型向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)化。

文章來源：
https://doi.org/10.1088/1758-5090/add95f