科学家使用生物3D打印的脑部肿瘤模型研究癌症治疗方法

中国3D打印网4月3日讯，来自美国和德国的一组研究人员提出了一种使用3D生物打印模型和成像平台研究胶质母细胞瘤（GBM）的新方法，胶质母细胞瘤是一种以脑瘤形式出现的侵袭性癌症。这些3D打印的大脑结构可以潜在地帮助医学专业人士更好地了解肿瘤的生长方式，并加快发现新药与之对抗的潜力。它们由人类脑细胞和生物材料的集合制成，并具有灌注的血管通道，可以长期培养和递送药物，而3D成像技术可以对组织结构进行无创评估。

东北大学生物工程副教授，该研究的通讯作者戴国浩解释说：“这是一种很难治疗的脑瘤。而且对脑肿瘤的研究也很困难，因为您无法真正看到正在发生的事情。通过我们的3D胶质母细胞瘤模型和成像平台，您可以快速了解细胞对放射或化学疗法的反应。”

胶质母细胞瘤干细胞积极侵入由人脑细胞和生物材料制成的模型。戴国浩摄。

尽早识别不成功的药物治疗

GBM是一种致命的脑瘤形式，它占所有脑瘤的15％，而被诊断患有癌症的人中仅有10％可以生存五年以上，所以研究人员很难研究GBM，因为他们无法直接观察肿瘤细胞如何生长以及如何对活着的大脑进行治疗。因此，通常对小鼠或大鼠进行研究，将其解剖以了解肿瘤的发展。但是，戴教授认为，动物研究既昂贵又费时，而且不利于对活体组织中相同肿瘤的日常观察。

为了更直接地研究GBM，戴国浩和他的团队对体外GBM肿瘤模型进行了生物3D打印，该模型具有模拟侵袭性肿瘤行为的微环境。这样，该模型可以充当肿瘤细胞浸润的脑组织。 戴国浩解释了如何对模型进行生物打印时说：“我们使用人脑血管细胞，并将它们与人脑中的所有神经元，周细胞，星形胶质细胞和主要细胞类型连接起来。水凝胶被用作基质来保存这些物质细胞就位。 然后，我们使用3D打印以三维方式堆叠它们。”

研究人员在西奈山医学院的神经外科医生Jenny Zou和神经科学家Roland Friedel的帮助下，从脑肿瘤患者中获得了胶质母细胞瘤肿瘤干细胞。然后将这些单元格放置在3D生物打印模型的中间，该模型厚几毫米。这样一来，研究人员就可以观察到脑肿瘤细胞如何像在患者体内那样积极侵袭，同时还可以长期培养细胞：“ 3D构建的模型允许复制3D环境，以用于生理性肿瘤侵袭和抗治疗反应。将肿瘤球体并入3D矩阵不仅允许GBM入侵，还可以延长肿瘤球体的寿命。肿瘤干细胞的分化和治疗抗性的发展需要长期培养。”研究人员解释说。

在不同环境中培养的GBM细胞的药物反应。图片来自《科学进展》。

为了准确观察3D模型中发生的事情而又不破坏它，Rensselaer Polytechnic Institute的生物医学工程师Xavier Intes使用激光扫描了样本，创建了细胞结构的3D快照。将该成像技术与3D生物打印相结合，使研究人员能够评估肿瘤对常用化疗药物替莫唑胺的反应，并评估其在治疗过程中的有效性。他们发现该药物长期无效，与胶质母细胞瘤患者的经验相符。 “我们用与患者化疗相同的药物治疗肿瘤，”戴补充说, “我们监测了两个月的化疗。我们发现化学疗法无法杀死肿瘤。”

使用该模型，研究人员可以加快确定药物治疗胶质母细胞瘤有效性的过程。他们发现替莫唑胺能够在二维模型中杀死胶质母细胞瘤细胞，但是当置于3D生物打印模型中时，肿瘤又长大了。这样，该方法已经有效地及早发现了不成功的药物，因此确保了只有最有前途的药物才能用于动物试验，甚至最终用于人类试验。

3D打印和脑瘤

3D打印模型的使用已证明是研究和治疗脑瘤的有用工具。它们使研究人员和医学从业人员可以准确地观察肿瘤，以更好地了解疾病或进行术前计划。例如，今年早些时候，总部位于英国的医疗技术公司3D LifePrints 3D打印了一个肿瘤模型，以帮助外科医生去除六岁大的莉亚·本内特（Leah Bennett）的癌肿。该模型帮助外科医生进行了术前计划，从而增加了安全有效切除的机会。

在2019年，韩国科学家还详细介绍了他们如何使用3D生物打印创建离体模型，该模型使用人类患者提取的细胞模拟GBM肿瘤的特征。