癌症是人类面临的一大健康威胁。癌症治疗的难点之一在于它具有异质性，不同患者的肿瘤差异大，需要根据个体情况进行精准治疗。临床上，无论是手术前还是手术后，找出最有效的药物对肿瘤患者的治疗极其重要。但利用传统的基因检测和患者来源异种移植模型来筛选治疗药物，都存在不够精准、检测周期过长等问题。
在与癌症斗争的过程中，有没有一种方法可以先打造“模拟战场”挑选治疗“武器”，确定哪些药物对患者有效，再让药物“上战场”，实施精准个性化治疗？体外肿瘤模型的构建有望让这一设想成为现实。
日前，清华大学机械系副教授姚睿团队总结了将生物3D打印技术和类器官技术协同应用于体外肿瘤模型构建的策略，并提出这是该领域最具潜力的发展方向。通过研究整合性类肿瘤模型对于不同药物的反应，可以快速筛选出最精准有效的抗肿瘤药物，从而有望实现对肿瘤患者的精准治疗。相关研究成果发表在《细胞》旗下期刊《生物技术前沿趋势》上。
体外搭建“模拟战场”助力肿瘤个性化治疗
“武器”选得好不好，关键在于“模拟战场”有多接近体内真实环境。姚睿介绍，体外构建整合性类肿瘤模型，首先要解决的就是仿生问题，要尽可能还原体内肿瘤生存的真实情况。
为了实现仿生，需要搞清楚体内的肿瘤细胞生活在什么样的环境中。首先，肿瘤是基因变异带来的细胞异常增生。变异不仅发生在肿瘤发展初期，更会伴随着肿瘤演进的全过程。一边演进，一边变异。因此，体外模拟的一大目标是尽可能囊括肿瘤演进的各个阶段。其次，患者体内聚集着大量肿瘤细胞和非肿瘤细胞，细胞间会相互作用，在模拟过程中也需要复刻这些群体细胞行为。最重要的是，体内的肿瘤生存在有机环境中，有一套复杂的营养供给、物质交换系统，研究人员还需要想办法模拟这套有机系统。
为了在整合性类肿瘤模型中囊括肿瘤演进的各个阶段，姚睿团队从2013年开始从事基于生物3D打印的体外肿瘤模型构建研究，并尝试将类器官作为基本单元进行生物3D打印操作。类器官是一种与体内组织类似、具有稳定表型和遗传学特征，且能够在体外长期培养的三维细胞复合体。目前，形成类器官的主要方式是通过细胞的自组装。类器官技术能够突破细胞间单纯的物理接触联系，形成更加紧密的细胞间生物通信，使细胞相互作用，协作发育并形成具有功能的迷你器官或组织。
传统生物3D打印的做法，是以单个肿瘤细胞为原材料，让肿瘤细胞在生物材料中弥散分布，堆叠成三维结构体。然而，真实的肿瘤团内存活着性状各异的肿瘤细胞和非肿瘤细胞，仅用单个肿瘤细胞为原料难以模拟出真实肿瘤团生存的复杂环境。如果用类器官作为生物3D打印的基本单元，可以在类器官中保留不同的细胞类型，在模型构建上克服细胞同质性，更好地还原患者对抗癌药物反应的个性化差异。“我们可以将类器官视为一个完整的小型‘生态系统’。以类器官作为生物3D打印的基本单元，有利于模拟真实的肿瘤环境这一大型‘生态系统’。”论文第一作者、清华大学博士生王晓宇说。
确定好了体外模拟的尺度，还需要解决3D肿瘤模型的物质交换问题。在体内，这一过程是通过血管等管道来完成的。王晓宇介绍，运用器官芯片技术，恰好能够模拟人体内管道的功能。器官芯片技术就是利用微加工技术，在微流控芯片上制造出能够模拟人类器官主要功能的仿生系统。除了具有微型化、集成化、低消耗的特点外，器官芯片技术能够精确控制化学浓度梯度、流体剪切力等多个系统参数，构建细胞图形化培养、组织—组织界面与器官—器官相互作用等，从而模拟人体器官的复杂结构、微环境和生理学功能。但器官芯片技术目前仍需解决如何实现精准无损检测和批量稳定制备等难题。
三种技术共同还原体内肿瘤生存真实情况
构建整合性类肿瘤模型，需要类器官、生物3D打印和器官芯片三种技术协同工作。姚睿介绍，一般流程是先在体外构建出立体的类器官，把类器官作为基本单元，混在生物材料中构建三维结构体。传统的类器官构建方法中，细胞会紧紧挨在一起，中间的细胞就容易因为缺氧或缺乏营养物质而死亡。体内的肿瘤很“聪明”，会诱导血管长到自己内部来提供养分，但类器官通常缺乏这种机制。而利用生物3D打印可以制造“血管”，通过培养液为类器官提供营养物质和氧气。因此，生物3D打印的方法弥补了类器官技术的局限性，能够有效模拟出更像体内肿瘤组织的微环境。
3D打印类器官技术虽然有效模拟了肿瘤微环境的异质性成分，但与重现体内肿瘤演进过程仍有一定距离。这是因为体内肿瘤演进过程依赖于肿瘤—免疫互作、多器官相互作用和功能性循环系统，而这些要素在静态培养的肿瘤模型中会被简化。如果将器官芯片与3D打印结合，就可以构建出具备层级结构的血管网络。模拟肿瘤浸润与外周免疫成分，揭示肿瘤与免疫的相互作用。
器官芯片与3D打印结合的方式有两种：一种是先制备芯片的腔室和流道，然后打印生物材料和细胞；另一种是直接用3D打印组装生物材料、细胞和芯片材料，一体成型。在肿瘤转移的研究中，将两者结合能够通过微循环系统将原发肿瘤与潜在的转移区连接起来，为研究肿瘤转移期间复杂的多器官相互作用提供可能。
“生物3D打印技术的加入，提升了整合性类肿瘤模型的稳定一致性、结构仿真度和自动化程度。”姚睿说，普通的类器官完全基于细胞的自组装，有很大的随机性，这给验证实验的可重复性带来了挑战。团队应用工程化的方法构建了自动化平台，提高了整合性类肿瘤模型的构建产率。利用生物3D打印技术，可以在构建肿瘤团之前，先在电脑中预先设计需要的模型。在建造“房子”的过程中，通过电脑程序控制生物材料、细胞以及其他生物因子的排列组合，可以创造出在关键功能上替代生物器官与组织且具备生物活性的有机体。
“目前，生物3D打印技术已经与自动化培养、无损检测等技术融合，能够自动化完成模型的构建、检测、观察和结果分析。例如，在结果分析阶段，可以利用无损成像和AI技术进行类器官识别和自动分析。自动化不仅带来了高效率，还大大减少了实验误差，提高了实验的可操作性和可重复性。”姚睿介绍。
从实验室走向临床应用还有多远
接近体内真实环境的肿瘤类器官模型构建好了，但真正要用它来攻克癌症，仍有很长的一段路要走。
“成本高昂是目前制约整合性类肿瘤模型进一步走向临床应用的一大因素。比起传统的二维培养，肿瘤类器官是更为仿生的三维细胞培养，技术难度更大、资源投入更多。此外，由于细胞在三维结构中增殖速度较慢、培养周期较长，因此维护成本也更高。”姚睿介绍。
缺乏统一的标准和方法，也是整合性类肿瘤模型临床应用面临的一大问题。由于新技术不够成熟，因此迫切需要标准和方法来评估比较不同实验室的体外培养结果，以实现研究结果的可复制和可验证。在临床应用阶段，还可能会涉及如何评估合规性、如何定价、医保如何覆盖等社会问题。
在与癌症斗争的道路上，构建体外模拟“武器试验场”，有望帮助人类筛选“武器”，降低药物开发成本，提高药物开发效率。尽管这一技术目前还处于起步阶段，但其在仿真性和可复制性上已经展现出强大的能力。“可以预见，随着3D打印和类器官技术的更新迭代，相关评价标准将日趋完善，临床应用也将逐渐普及。”姚睿认为，通过推动企业作为创新主体与科研机构良性互动，在临床医生、生物学家和工程师的跨学科努力下，这一新技术惠及癌症患者或指日可待。
癌症是人类面临的一大健康威胁。癌症治疗的难点之一在于它具有异质性，不同患者的肿瘤差异大，需要根据个体情况进行精准治疗。临床上，无论是手术前还是手术后，找出最有效的药物对肿瘤患者的治疗极其重要。但利用传统的基因检测和患者来源异种移植模型来筛选治疗药物，都存在不够精准、检测周期过长等问题。
在与癌症斗争的过程中，有没有一种方法可以先打造“模拟战场”挑选治疗“武器”，确定哪些药物对患者有效，再让药物“上战场”，实施精准个性化治疗？体外肿瘤模型的构建有望让这一设想成为现实。
日前，清华大学机械系副教授姚睿团队总结了将生物3D打印技术和类器官技术协同应用于体外肿瘤模型构建的策略，并提出这是该领域最具潜力的发展方向。通过研究整合性类肿瘤模型对于不同药物的反应，可以快速筛选出最精准有效的抗肿瘤药物，从而有望实现对肿瘤患者的精准治疗。相关研究成果发表在《细胞》旗下期刊《生物技术前沿趋势》上。
体外搭建“模拟战场”助力肿瘤个性化治疗
“武器”选得好不好，关键在于“模拟战场”有多接近体内真实环境。姚睿介绍，体外构建整合性类肿瘤模型，首先要解决的就是仿生问题，要尽可能还原体内肿瘤生存的真实情况。
为了实现仿生，需要搞清楚体内的肿瘤细胞生活在什么样的环境中。首先，肿瘤是基因变异带来的细胞异常增生。变异不仅发生在肿瘤发展初期，更会伴随着肿瘤演进的全过程。一边演进，一边变异。因此，体外模拟的一大目标是尽可能囊括肿瘤演进的各个阶段。其次，患者体内聚集着大量肿瘤细胞和非肿瘤细胞，细胞间会相互作用，在模拟过程中也需要复刻这些群体细胞行为。最重要的是，体内的肿瘤生存在有机环境中，有一套复杂的营养供给、物质交换系统，研究人员还需要想办法模拟这套有机系统。
为了在整合性类肿瘤模型中囊括肿瘤演进的各个阶段，姚睿团队从2013年开始从事基于生物3D打印的体外肿瘤模型构建研究，并尝试将类器官作为基本单元进行生物3D打印操作。类器官是一种与体内组织类似、具有稳定表型和遗传学特征，且能够在体外长期培养的三维细胞复合体。目前，形成类器官的主要方式是通过细胞的自组装。类器官技术能够突破细胞间单纯的物理接触联系，形成更加紧密的细胞间生物通信，使细胞相互作用，协作发育并形成具有功能的迷你器官或组织。
传统生物3D打印的做法，是以单个肿瘤细胞为原材料，让肿瘤细胞在生物材料中弥散分布，堆叠成三维结构体。然而，真实的肿瘤团内存活着性状各异的肿瘤细胞和非肿瘤细胞，仅用单个肿瘤细胞为原料难以模拟出真实肿瘤团生存的复杂环境。如果用类器官作为生物3D打印的基本单元，可以在类器官中保留不同的细胞类型，在模型构建上克服细胞同质性，更好地还原患者对抗癌药物反应的个性化差异。“我们可以将类器官视为一个完整的小型‘生态系统’。以类器官作为生物3D打印的基本单元，有利于模拟真实的肿瘤环境这一大型‘生态系统’。”论文第一作者、清华大学博士生王晓宇说。
确定好了体外模拟的尺度，还需要解决3D肿瘤模型的物质交换问题。在体内，这一过程是通过血管等管道来完成的。王晓宇介绍，运用器官芯片技术，恰好能够模拟人体内管道的功能。器官芯片技术就是利用微加工技术，在微流控芯片上制造出能够模拟人类器官主要功能的仿生系统。除了具有微型化、集成化、低消耗的特点外，器官芯片技术能够精确控制化学浓度梯度、流体剪切力等多个系统参数，构建细胞图形化培养、组织—组织界面与器官—器官相互作用等，从而模拟人体器官的复杂结构、微环境和生理学功能。但器官芯片技术目前仍需解决如何实现精准无损检测和批量稳定制备等难题。
三种技术共同还原体内肿瘤生存真实情况
构建整合性类肿瘤模型，需要类器官、生物3D打印和器官芯片三种技术协同工作。姚睿介绍，一般流程是先在体外构建出立体的类器官，把类器官作为基本单元，混在生物材料中构建三维结构体。传统的类器官构建方法中，细胞会紧紧挨在一起，中间的细胞就容易因为缺氧或缺乏营养物质而死亡。体内的肿瘤很“聪明”，会诱导血管长到自己内部来提供养分，但类器官通常缺乏这种机制。而利用生物3D打印可以制造“血管”，通过培养液为类器官提供营养物质和氧气。因此，生物3D打印的方法弥补了类器官技术的局限性，能够有效模拟出更像体内肿瘤组织的微环境。
3D打印类器官技术虽然有效模拟了肿瘤微环境的异质性成分，但与重现体内肿瘤演进过程仍有一定距离。这是因为体内肿瘤演进过程依赖于肿瘤—免疫互作、多器官相互作用和功能性循环系统，而这些要素在静态培养的肿瘤模型中会被简化。如果将器官芯片与3D打印结合，就可以构建出具备层级结构的血管网络。模拟肿瘤浸润与外周免疫成分，揭示肿瘤与免疫的相互作用。
器官芯片与3D打印结合的方式有两种：一种是先制备芯片的腔室和流道，然后打印生物材料和细胞；另一种是直接用3D打印组装生物材料、细胞和芯片材料，一体成型。在肿瘤转移的研究中，将两者结合能够通过微循环系统将原发肿瘤与潜在的转移区连接起来，为研究肿瘤转移期间复杂的多器官相互作用提供可能。
“生物3D打印技术的加入，提升了整合性类肿瘤模型的稳定一致性、结构仿真度和自动化程度。”姚睿说，普通的类器官完全基于细胞的自组装，有很大的随机性，这给验证实验的可重复性带来了挑战。团队应用工程化的方法构建了自动化平台，提高了整合性类肿瘤模型的构建产率。利用生物3D打印技术，可以在构建肿瘤团之前，先在电脑中预先设计需要的模型。在建造“房子”的过程中，通过电脑程序控制生物材料、细胞以及其他生物因子的排列组合，可以创造出在关键功能上替代生物器官与组织且具备生物活性的有机体。
“目前，生物3D打印技术已经与自动化培养、无损检测等技术融合，能够自动化完成模型的构建、检测、观察和结果分析。例如，在结果分析阶段，可以利用无损成像和AI技术进行类器官识别和自动分析。自动化不仅带来了高效率，还大大减少了实验误差，提高了实验的可操作性和可重复性。”姚睿介绍。
从实验室走向临床应用还有多远
接近体内真实环境的肿瘤类器官模型构建好了，但真正要用它来攻克癌症，仍有很长的一段路要走。
“成本高昂是目前制约整合性类肿瘤模型进一步走向临床应用的一大因素。比起传统的二维培养，肿瘤类器官是更为仿生的三维细胞培养，技术难度更大、资源投入更多。此外，由于细胞在三维结构中增殖速度较慢、培养周期较长，因此维护成本也更高。”姚睿介绍。
缺乏统一的标准和方法，也是整合性类肿瘤模型临床应用面临的一大问题。由于新技术不够成熟，因此迫切需要标准和方法来评估比较不同实验室的体外培养结果，以实现研究结果的可复制和可验证。在临床应用阶段，还可能会涉及如何评估合规性、如何定价、医保如何覆盖等社会问题。
在与癌症斗争的道路上，构建体外模拟“武器试验场”，有望帮助人类筛选“武器”，降低药物开发成本，提高药物开发效率。尽管这一技术目前还处于起步阶段，但其在仿真性和可复制性上已经展现出强大的能力。“可以预见，随着3D打印和类器官技术的更新迭代，相关评价标准将日趋完善，临床应用也将逐渐普及。”姚睿认为，通过推动企业作为创新主体与科研机构良性互动，在临床医生、生物学家和工程师的跨学科努力下，这一新技术惠及癌症患者或指日可待。
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