背景：
投入在新药开发上的努力往往不能转化为对癌症患者有意义的临床效益。开发更有效的抗癌疗法和准确预测其临床价值仍然是迫切需要满足的医疗需求。由于实体癌症具有由不同细胞类型和细胞外基质组成的复杂和异质结构，三维(3D)癌症模型具有极大的潜力，可以促进我们对癌症生物学的理解，这在历史上已经在刚性塑料板上的肿瘤细胞培养中进行了研究。先进的3D生物打印癌症模型有可能彻底改变我们发现治疗靶点、开发新药和个性化抗癌疗法的方式，以一种精确、可复制、临床可转化和稳健的方式。这些体外癌症模型已经取代了现有的体外系统，并可能在未来减少甚至取代动物模型的使用。因此，深入了解二维、三维和动物模型肿瘤发生的差异是非常必要的。
简介：
2022年10月24日，来自以色列特拉维夫大学萨克勒医学院生理学与药理学学系的Ronit Satchi-Fainaro教授课题组在Nat Rev Cancer（IF: 69.8）杂志上发表题为“3D bioprinted cancer models: from basic biology to drug development”的文章[1]。这篇文章介绍了3D生物打印癌症建模的技术现状，重点关注癌症进展和治疗反应的分子机制基础上的生物过程，以及蛋白质组学和基因组特征。
主要结果：
3D生物打印肿瘤模型。
一个理想的3D生物打印癌症模型必须紧密地再现特定肿瘤的体内环境，包括其灌注的血管。一些3D生物打印技术提供了包括结构ECM和分别打印不同细胞类型的可能性，每种细胞类型可能需要独特的生物墨水。在体内类癌症和基质细胞行为方面，与原始组织的特性非常相似的模型可能有利于药物反应预测。因此，确定最合适的3D打印技术、生物墨水组成和底物交联方法对癌症组织的建模至关重要。
血管在肿瘤增殖、氧扩散、血管生成、血管内渗和血管外渗中起着至关重要的作用。因此，在仿生肿瘤模型中实现功能血管网络对于维持细胞活力和揭示肿瘤和血管之间的密切关系至关重要。通过打印的脉管系统，可以研究这种动态环境，包括循环的癌细胞如何与基质细胞和浸润的免疫细胞相互作用，不同细胞类型之间分泌因子的交换，它们对外部刺激的反应，以及癌细胞对转移许可微环境的行为适应。
转移性微环境。在癌症研究中，一个重要的挑战是设计能够再现原生转移微环境特征的体外模型。除了不同转移位点间ECM性质的差异外，侵袭癌细胞与转移利基内TME之间的相互作用在介导转移级联中也至关重要。在骨转移龛的立体打印3D生物打印模型中，MDA-MB-231乳腺癌细胞与成骨细胞和人骨髓间充质干细胞(MSCs)共同培养，以模拟骨TME。
肿瘤内皮。提高对肿瘤细胞-内皮细胞相互作用的认识可以揭示肿瘤转移和血管生成的重要机制。同轴3D生物打印技术已被用于制备含有人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的微纤维的乳腺癌小球体。从外部喷嘴挤压出的含癌细胞的GelMA被压电分离成液滴形成球状体，而从内部喷嘴挤压出的含海藻酸钠的GelMA在这些球状体内部形成纤维。纤维的形态可以通过内外喷嘴挤压流量的比例来控制。当HUVECs与乳腺癌细胞共同培养时，HUVECs向纤维外的癌细胞延伸，而在只有HUVECs的球形细胞中，这些细胞保留在纤维内，并在其中形成血管状的空洞。
图1：显示3D生物打印癌症模型发展的时间轴
癌症疗法的评估。
3D生物打印技术能够将细胞和ECM组装成一个三维结构，再现癌症组织的复杂性，并可作为一个强大的、可复制的平台，用于发现新的治疗靶点、抗癌药物的临床前测试和开发个性化癌症治疗方法。ECM特性(如密度和成分)影响药物扩散和肿瘤渗透，一些3D生物打印肿瘤模型考虑了这些因素。在迭代的3D生物打印方法中，MDA-MB-231乳腺癌细胞和GP-118患者源性胃腺癌细胞悬浮在明胶-藻酸盐-基质生物墨水中，用于延长患者源性癌症球形培养物的培养时间。研究人员通过消化基质，创造单细胞悬浮液并重新打印悬浮液，成功复制了打印模型。重复这一过程达三轮并不会影响细胞活力，改变细胞分裂率，也不会破坏癌细胞重组成球状体。此外，3D生物打印胃腺癌模型对多西他赛、5-氟尿嘧啶和顺铂化疗耐药，再现了供体患者对这三种药物无反应的情况。事实上，许多化疗药物(包括顺铂、紫杉醇、多西他赛、5-氟尿嘧啶、喜树碱和替莫唑胺)对在2D培养环境中生长的癌细胞非常有效，但在PDX或3D癌症模型中显示出耐药。
临床晚期肿瘤在大小、肿瘤供氧和基因表达方面与早期肿瘤不同，所有这些都影响治疗反应。在模拟两种不同乳腺癌临床阶段的尺寸控制3D生物打印癌症模型中，“晚期”大型微肿瘤(＞600μm)表现出临床晚期肿瘤的几个特征，如缺氧、活性氧产生增加、间充质标记物上调和集体细胞迁移，这些在“早期”小型微肿瘤(＜150μm)中没有观察到。此外，大型微肿瘤显示ESR1(编码雌激素受体-α的基因)下调，因此对4-羟基他莫西芬的耐药性高于小型肿瘤。此外，与小肿瘤相比，大肿瘤中普遍存在的缺氧条件导致VEGF的产生增加，使用抗VEGF抗体治疗后生长抑制增强。有趣的是，两种肿瘤大小对EGFR抑制剂吉非替尼治疗的反应相似，表明对该药物的不同反应与靶基因表达的差异有关，而与药物扩散的大小限制无关。
图2：3D生物打印的癌细胞生长，迁移，侵袭，干细胞和基因表达模型
药物筛选平台。TME中的细胞也会影响癌细胞的治疗反应。在3D生物打印的乳腺癌球体上添加内皮细胞，通过降低癌细胞的代谢活性，使这些结构对紫杉醇敏感。在供氧微环境中，由患者来源的胶质母细胞瘤细胞、血管生物墨水和脱细胞化ECM组成的3D生物打印癌症芯片模型反映了胶质母细胞瘤的重要临床特性，如肿瘤异质性、坏死区域和血管结构。简单的单分子层或3D球形系统不能重现患者特异性药物反应，而在癌症芯片模型中，每个患者来源细胞池的反应与临床观察到的治疗结果一致。此外，该研究的作者进行了基因集富集分析，对每个患者的最佳治疗组合进行了稳健性和重复性的识别。例如，一些患者来源的样本显示细胞周期检查点相关基因的丰富表达。
靶点发现。除了评估肿瘤对标准治疗的反应外，3D生物打印平台还可以促进对商业化研究用化合物(如胶质母细胞瘤中的p53激活剂)和批准用于不同疾病或适应症的药物的高通量筛选，这一过程被称为再利用。全外显子组测序(WES)可以识别患者来源的癌症样本的突变谱，并通过将这些突变谱与靶向突变的特定药物相关联来预测药物敏感性。例如，具有血小板衍生生长因子受体-α(由PDGFRA编码)和VEGF受体家族成员突变的癌细胞分别对索拉非尼和lenvatinib敏感。3D生物打印模型可用于对缺乏此类明确相关性的肿瘤进行个体化药物筛选，或验证通过WES识别的候选药物。或者，WES可以在患者衍生的3D生物打印模型上进行，这些模型与患者的转录组特征最密切相关。
图3：使用3D生物打印模型研究药物疗效
结论和展望：
本综述中介绍的各种生物打印技术可以结合起来，精确调整3D癌症模型的化学、结构和细胞特性，以满足特定研究问题的需求或特定癌症类型或特定患者源性肿瘤的特征。然而，3D生物打印癌症模型的复杂架构需要昂贵的设备和训练有素的跨学科团队。一些公司现在提供标准化和定制的3D生物打印模型，用于缺乏生物打印专业知识的研究实验室。此外，商业化生产的器官专用水凝胶已经可供缺乏材料和化学工程专业知识的研究人员使用，尽管他们希望使用自己的成分和细胞类型的生物墨水。
3D生物打印癌症模型有可能彻底改变我们研究、诊断、预防和治疗癌症的方式。预计到2026年，特别是在药物开发和测试行业，这种模式的商业化将产生5.9225亿欧元(2019年为1.993亿欧元)。先进的3D生物打印技术，结合基于机器学习和人工智能的组学方法，可能会发现癌症生物学的基本机制，揭示新的生物标志物和药物靶点，并推动有效的个性化癌症治疗的发展。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41568-022-00514-w
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