综述：应对癌症治疗：从二维到三维癌症模型的转变以及纳米级疗法的探索

《ACS Pharmacology & Translational Science》：Navigating Cancer Treatment: A Journey from 2D to 3D Cancer Models and Nanoscale Therapies

本文探讨了3D细胞培养模型在癌症研究中的优势及其与纳米技术的整合，指出传统2D模型无法模拟肿瘤复杂微环境，导致药物筛选偏差。3D模型（如spheroids、器官芯片、生物打印）通过模拟细胞-基质相互作用、缺氧梯度及细胞异质性，显著提升药物响应预测准确性。纳米颗粒（如PLGA、脂质纳米颗粒、铁氧化物）在3D模型中表现出更真实的递送特性，但受限于ECM渗透及电荷效应，需通过尺寸调控（<100nm）、表面修饰（如PEG化）及智能响应机制（pH/酶触发）优化。研究强调标准化3D模型与AI辅助分析结合的重要性，以缩小体外与临床疗效差距。

　　癌症依然是全球最严峻的健康挑战之一，其发病率和死亡率在全球范围内持续上升。体外模型在癌症生物学研究、药物筛选和治疗开发的初步探索中发挥着重要作用。然而，尽管传统二维（2D）细胞培养技术广泛使用，但它们无法准确复制肿瘤的复杂微环境，导致药物反应和治疗效果存在差异。本文探讨了从二维向三维（3D）培养技术的转变，强调了其优势、局限性和对癌症研究的影响。讨论了多种3D培养方法，包括基于支架的系统、水凝胶、3D打印模型、微流控和器官芯片技术，分析了它们在癌症建模和药物测试中的相关性。此外，还探讨了将治疗诊断纳米和微粒整合到癌症治疗中的应用，重点在于其在药物输送和与3D癌球体和类器官之间的相互作用。对纳米颗粒的摄取机制和与3D模型的相互作用进行了比较分析，并介绍了先进的技术，用于研究纳米颗粒行为和药物筛选。通过弥合体外检测与临床结果之间的差距，结合纳米技术的3D培养系统为改善癌症治疗提供了有希望的工具。

癌症是复杂的一组疾病，其特征是细胞的不受控制的生长和扩散。有多种类型的癌症，每种癌症都有独特的特征、起源和治疗方法。不受控制的细胞生长是癌症的标志性特征，其驱动因素包括年龄、生活方式（如酒精、致癌物质、饮食、肥胖和日晒）以及癌前或遗传性疾病。90%的癌症与基因改变有关。主要涉及癌症的基因包括癌基因、抑癌基因和错配修复基因，这些基因可能影响细胞生长，并在某些类型的癌症中发生改变。基因损伤导致癌症，发生在癌基因、抑癌基因和DNA修复基因中。癌基因如HER2/ERBB2和KRAS是突变的原癌基因，成为永久活跃，导致不受控制的细胞生长。抑癌基因如TP53、BRCA1/2和APC通常减缓细胞分裂、修复DNA和触发细胞凋亡；当发生突变时，它们无法控制细胞增殖，使DNA损伤的细胞存活和分裂。DNA修复基因如MLH1、MSH2、MSH6和PMS2通常纠正复制错误，但这些基因的突变会导致癌基因和抑癌基因的进一步有害突变积累。这些突变会破坏细胞生长、分裂和死亡的正常调节。例如，TP53突变会阻止受损细胞进行细胞凋亡，而BCR-ABL融合基因会产生异常酶，驱动血细胞增殖。突变的癌基因和失能的抑癌基因共同作用，使细胞能够不受控制地生长，逃避凋亡，积累进一步的遗传错误，最终形成肿瘤。

此外，癌症细胞在原发肿瘤和转移过程中表现出显著的异质性，使得创造有效的治疗方法变得困难。肿瘤微环境，包括细胞外基质（ECM）和免疫细胞，对癌症细胞的行为具有关键影响，影响其对治疗的反应。肿瘤微环境在肿瘤发展的早期阶段就起到核心作用。早期肿瘤病变最初由免疫细胞，包括T细胞和树突状细胞检测。然而，随着肿瘤的发展，TME转变为免疫抑制状态，其特征是减少的细胞毒性CD8+ T细胞和NK细胞，增加调节T细胞（Tregs）的扩增，以及树突状细胞功能受损。这种免疫抑制使癌症细胞在存在适应性免疫系统的情况下存活和增殖。慢性炎症和髓样细胞的募集，如肿瘤相关巨噬细胞和中性粒细胞，进一步塑造TME。这些细胞分泌活性氧和细胞因子，如EGF、HGF、TGF-β和IL-6，促进癌症细胞增殖、迁移、干细胞性状和DNA损伤。它们还重塑细胞外基质并刺激血管生成，确保肿瘤获得足够的氧气和营养支持其生长。肿瘤微环境中的代谢变化也支持肿瘤进展。髓样细胞和其他基质成分消耗关键营养物质，改变糖酵解和脂质代谢，并产生免疫抑制介质，限制T细胞激活和抗肿瘤反应。这些相互作用共同创造了一个支持肿瘤的微环境，使癌症细胞能够逃避免疫，适应压力并发展为更侵袭性和治疗抵抗性状态。

了解和靶向这些癌症细胞的多样化特性有助于开发创新的个性化癌症诊断和治疗方法。不同类型的癌症根据其起源组织或位置进行分类。最常见的癌症类型是癌，它起源于覆盖身体内和外层表面的上皮细胞。它通常发生在皮肤、肺、乳腺、结肠和前列腺等器官。常见的癌类型包括基底细胞癌、鳞状细胞癌、腺癌和导管癌。癌的治疗方法通常包括手术、化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗，具体取决于癌症的类型和阶段。白血病影响血液和骨髓，导致异常白细胞的过度生成。它起源于骨髓中的造血干细胞。白血病主要分为四类：急性淋巴细胞白血病、急性髓系白血病、慢性淋巴细胞白血病和慢性髓系白血病。白血病的常见治疗方法通常涉及化疗、靶向治疗、放疗、干细胞移植或这些方法的组合。

肉瘤是一种罕见的癌症，发生在身体的结缔组织中，包括骨骼、肌肉、软骨、肌腱和血管。它可以进一步分为两类：软组织肉瘤和骨肉瘤。常见的肉瘤包括成骨肉瘤、软骨肉瘤、脂肪肉瘤和血管肉瘤。肉瘤的治疗通常涉及手术切除肿瘤，随后进行化疗、放疗、靶向治疗或这些治疗的组合。淋巴瘤是淋巴系统的癌症，包括淋巴结、淋巴管和淋巴器官如脾和胸腺。它起源于淋巴细胞，一种参与身体免疫反应的白细胞。淋巴瘤分为两种主要类型：霍奇金淋巴瘤和非霍奇金淋巴瘤。常见的非霍奇金淋巴瘤亚型包括弥漫大B细胞淋巴瘤、滤泡性淋巴瘤和套细胞淋巴瘤。淋巴瘤的治疗可能包括化疗、放疗、免疫治疗、靶向治疗或干细胞移植，具体取决于亚型和阶段。多发性骨髓瘤，也称为多发性骨髓瘤，是起源于浆细胞的癌症，浆细胞是一种产生抗体的白细胞。它们通常起源于骨髓，并可能导致骨损伤、贫血和免疫功能障碍。治疗多发性骨髓瘤可能包括化疗、靶向治疗、免疫治疗、干细胞移植或这些方法的组合。

脑和脊髓癌症，也称为中枢神经系统（CNS）肿瘤，起源于大脑或脊髓的异常细胞。它们可以是原发性肿瘤，起源于大脑或脊髓组织，也可以是继发性肿瘤，即从身体其他部位转移的癌症。常见的脑和脊髓肿瘤包括胶质瘤、脑膜瘤和髓母细胞瘤。这些肿瘤的治疗取决于肿瘤类型、位置、大小和分级。它可能涉及手术、放疗、化疗、靶向治疗或这些治疗的组合。

癌症治疗目前是一个复杂而多样化的过程，旨在根除或控制癌症，同时尽量减少对健康组织的损伤。癌症治疗的一个主要策略是肿瘤切除，这在局部病变中最为有效，可以在许多情况下达到治愈效果。手术的优势在于立即切除肿瘤，并提供组织进行病理评估；然而，它不适合晚期或转移性癌症患者，且在许多低收入和中等收入国家，获得专业外科设施的机会仍然有限。放疗是另一种常见的治疗方式，它利用高能辐射破坏恶性细胞。最近的创新，包括强度调制放疗、质子束放疗和立体定向放射手术，使得肿瘤定位更加精确，从而保护周围的健康组织。放疗的主要优势在于其非侵入性和适用于治愈和姑息治疗。然而，放疗仍可能导致一些副作用，如口腔炎、纤维化和继发性恶性肿瘤，而先进的放疗技术主要在高收入地区可用，因为其基础设施成本高。

化疗仍然是系统癌症治疗的基石，特别是对于已经扩散的癌症。化疗药物通过靶向快速分裂的细胞，从而减少肿瘤负担。虽然有效，但它们的缺乏特异性常常导致对健康快速分裂细胞的损伤，引起副作用如恶心、脱发、骨髓抑制和器官毒性。此外，药物耐受性的开发是另一个重大限制。尽管如此，与先进的疗法相比，化疗仍然在全球范围内更易获得。

靶向治疗代表了一种更精细的方法，旨在干扰癌症进展的特定分子驱动因素，如酪氨酸激酶、生长因子受体或突变的癌基因。这些疗法通常提供改善的效果和减少的毒性，但耐受性机制可以限制长期效果。此外，在资源有限的环境中，靶向药物的可及性较低，因为它们的成本高且需要先进的分子诊断。免疫治疗在过去十年中彻底改变了癌症治疗，通过利用患者自身的免疫系统。免疫检查点抑制剂（如PD-1/PD-L1和CTLA-4抑制剂）、CAR T细胞疗法和治疗性癌症疫苗在某些患者子集中显示出持久的反应，特别是在血液恶性肿瘤和一些实体瘤中。然而，免疫治疗与独特的毒性有关，包括严重的自身免疫反应，并且不是普遍有效的。此外，CAR T细胞疗法等先进免疫疗法的生产与输送高度复杂且昂贵，限制了它们在发达国家的专业中心的可用性。

激素治疗对于由激素信号驱动的癌症（如乳癌和前列腺癌）仍然是关键。通过阻止激素产生或干扰受体介导的信号，激素治疗可以显著延长生存期并改善生活质量。尽管其效果显著，但激素治疗可能导致耐受性发展，引起代谢副作用，如骨质疏松和心血管并发症。然而，与新靶向或基于免疫的疗法相比，这些治疗相对便宜且广泛可用。

尽管有这些进展，癌症治疗仍然是一个重大挑战。恶性细胞可以适应并发展耐受性，这会降低其有效性。此外，化疗和放疗等治疗的副作用可能严重，影响患者的器官（肝、肾、脾等）以及持续的疲劳、恶心、免疫抑制和神经病变。晚期诊断是另一个重大挑战，因为许多癌症在晚期才被发现，此时治疗选择较少，生存机会较低。此外，癌症的代谢异质性，一种遗传独特的过程，可以在同一肿瘤部位内显著变化，使得开发高度有效的治疗方案变得困难。

癌症研究面临几个关键的空白，包括需要有效的、非侵入性的早期检测方法和负担得起的筛查计划，特别是在晚期诊断的癌症，如胰腺和卵巢癌中。转移，导致大多数癌症相关死亡的主要原因，需要对它的机制有深入的理解，以开发针对转移过程的疗法。现有的免疫疗法需要改进，因为它们有潜力克服耐受性并提高效果。另一个癌症研究中的重大空白存在于传统2D细胞培养和体内检测之间的结果。在2D细胞培养中，细胞在平坦、刚性的表面上生长，无法准确模拟体内相互作用，导致药物毒性预测不准确。因此，当癌症药物进展到临床试验的后期并被证明无效时，这引发了问题，因为早期在2D培养中的测试显示其有效。目前的实验模型，如2D细胞培养，无法复制肿瘤的复杂性，特别是缺乏细胞-基质相互作用和极性。虽然3D模型如球体更好地模拟了肿瘤结构，但它们仍然缺乏必要的成分，如血管。动物模型也有局限性，如种属差异和不完整的免疫系统，并且它们引发伦理问题。在响应，先进的技术，包括3D生物打印肿瘤模型和器官芯片系统，正越来越多地用于创建生理相关的体外平台，以密切模拟肿瘤微环境。3D生物打印允许癌症细胞、基质细胞和细胞外基质成分的精确空间组织，使组织样架构的制造具有可控的孔隙率、刚度和营养梯度。这些特性促进了纳米颗粒渗透、细胞摄取和药物释放动力学的现实评估。器官芯片系统整合微流控通道以模拟血流、间质液动力学和组织-组织界面，提供动态的机械和生化线索，影响纳米颗粒分布、免疫相互作用和肿瘤反应。这些平台允许患者来源细胞的整合，支持纳米颗粒疗法的个性化评估。集体，这些模型与传统2D培养相比，具有更高的预测能力，使纳米颗粒的效力、毒性和输送机制的系统测试成为可能，弥合了临床试验和临床转化之间的差距。

纳米/微粒在癌症治疗中的应用日益广泛。纳米/微粒可以提高药物在肿瘤部位的输送，减少全身毒性，并最小化对健康组织的损害。它们能够克服与肿瘤相关的复杂生物屏障，如密集的细胞外基质和不规则的血管。它们的细胞内输送能力和增强的渗透性与保留效应允许肿瘤组织的被动靶向，同时减少脱靶效应。微粒，范围从1到1000微米，具有增强的药物载量、可控的药物释放和持续的药房系统，确保肿瘤部位的长期治疗效果。两者平台针对诸如药物溶解性、全身毒性以及精准靶向等关键问题，展示了它们在癌症治疗中的潜力。尽管这些进展，实现纳米/微粒的全部潜力需要更深入地理解它们在生物系统中的相互作用，特别是在临床前研究的背景下。

传统体外模型，通常仅限于2D细胞培养，无法复制肿瘤的复杂3D结构、动态微环境和细胞异质性。这些简化的模型在评估药物输送系统时可能具有有限的预测准确性。先进的3D培养系统，如肿瘤球体和类器官，已经作为解决这些限制的平台出现。这些模型通过模仿肿瘤微环境的必要特征，如缺氧梯度、细胞外基质动态和细胞异质性。3D系统有潜力研究纳米/微粒的摄取、渗透和治疗效果。此外，3D模型有潜力在受控但生理相似的环境中评估纳米颗粒-肿瘤相互作用，提供改进癌症治疗和药物输送技术的方法。

纳米/微粒在3D细胞培养中的摄取和相互作用因不同的细胞环境和相互作用而存在显著差异。这些差异强调了使用3D模型以更准确预测纳米颗粒在生物系统中的行为的重要性。影响纳米颗粒摄取的因素包括细胞形态和环境。3D培养中的细胞形态与2D培养中的细胞形态不同。3D模型中复杂的细胞-细胞相互作用和结构化的细胞外基质影响纳米颗粒的摄取。由于3D培养更接近体内条件，它们提供了更好的纳米颗粒在活组织中相互作用的表示。此外，纳米颗粒在3D环境中的运动通常受到细胞外成分，如胶原蛋白和其他结构蛋白的限制。这种屏障限制了它们的渗透和摄取速率。另一方面，2D培养允许纳米颗粒直接接触细胞表面，导致与体内情况相比的摄取水平可能被夸大。例如，Netti小组研究了3D细胞外基质对细胞行为和纳米颗粒扩散的影响。使用3D胶原蛋白凝胶中的皮肤成纤维细胞和纤维肉瘤细胞，结果显示3D培养中的细胞形态与标准2D培养相比发生了显著变化，纳米颗粒的扩散受到胶原蛋白纤维的相互作用，尤其是对于较大的纳米颗粒。这些发现强调了在更接近体内条件的模型中纳米生物相互作用的重要性，以更准确预测药物输送效果。

此外，纳米颗粒的形态和表面化学特性对3D培养中的摄取有重要影响。例如，杆状纳米颗粒可能比球状纳米颗粒有更高的细胞摄取，这可能归因于它们的延长形态，这有助于更好地接触细胞膜并内化。纳米颗粒的大小和表面电荷也影响它们的摄取。通过使用3D球体模型，研究人员能够评估纳米颗粒的渗透和积累，以了解它们的大小、形态和表面化学特性如何影响它们穿透肿瘤样结构的能力。这些研究强调了3D模型在药物输送中的重要性，以更准确地预测肿瘤细胞的反应。

纳米颗粒的摄取机制在2D和3D细胞培养模型中存在显著差异。细胞膜通常对大颗粒不渗透，仅允许10至30纳米大小的颗粒穿过。为了克服这一障碍，细胞使用内吞作用，这是一种病毒利用的机制，使纳米颗粒进入宿主细胞。内吞作用分为吞噬作用，即免疫细胞如巨噬细胞和中性粒细胞通过吞噬作用吸收大颗粒，以及胞饮作用，即内化溶质。胞饮作用包括大胞饮作用（非特异性吸收100纳米至5微米大小的流体和溶质）、网格蛋白介导的内吞作用（受体特异性吸收，约120纳米囊泡）、囊泡素介导的内吞作用（使用约80纳米囊泡）以及网格蛋白和囊泡素独立的内吞作用（约50纳米囊泡）。非吞噬细胞主要通过胞饮作用摄取营养。最大摄取尺寸因路径而异，但大于200纳米的颗粒通常不能通过经典内吞作用内化。内吞作用涉及颗粒大小、能量变化和受体相互作用，影响纳米颗粒摄取的效率。不同的细胞类型利用不同的内吞途径来内化相同的纳米颗粒。例如，HeLa、1321N1和A549细胞在内吞作用上表现出差异。囊泡素介导的内吞作用在内皮细胞和成纤维细胞中很常见，绕过溶酶体降解，将纳米颗粒导向内质网或高尔基体。相比之下，大胞饮作用在大多数细胞中发生，导致不同的命运，如溶酶体降解在巨噬细胞中或在A431细胞中进行货物回收。由于细胞在3D模型中暴露于纳米颗粒，3D培养中的摄取动力学往往比2D培养中的更快和更可预测。

然而，在3D培养中，摄取机制变得更加复杂，由于细胞外基质和三维细胞组织的存在。细胞外基质可能阻碍纳米颗粒的扩散，特别是对于较大的纳米颗粒，减少它们与细胞的相互作用。3D培养中的细胞外层对纳米颗粒有更高的接触机会，而深层细胞由于扩散减少和细胞间紧密连接而接触有限。这导致纳米颗粒分布的梯度，通常导致不均匀的摄取。此外，3D培养诱导细胞形态和行为的变化，影响细胞与纳米颗粒的相互作用和内化。3D模型中的细胞摄取通常比2D模型中的更慢，这可能归因于这些物理屏障和改变的细胞微环境。大胞饮作用仍然是3D培养中的主要摄取途径，但其他内吞途径也起作用，具体取决于纳米颗粒的大小、形态和表面特性。例如，在这些模型中，EV的摄取主要偏向球体外围的增殖细胞，而对缺氧或坏死核心的渗透较慢，除非优化为更小的尺寸或配备ECM降解酶。

3D培养中，纳米颗粒的摄取机制与2D培养相比，受到细胞外基质和细胞组织的影响。由于这些因素模仿了真实的肿瘤，纳米颗粒必须被专门设计以提高渗透和药物输送效果。纳米颗粒提供了增加的生物利用度、减少的副作用和可控的药物释放，但目前的系统面临药物负载效率低的问题。使用微重力进行药物封装引入了一种创新方法。模拟或太空微重力环境可以提高纳米颗粒的自组装，增强药物负载效率，并通过减少聚集和促进在3D球体中的更好分散优化释放剖面。研究已经探索了微重力对肿瘤和药物输送的影响，发现铁氧化物纳米颗粒的药物负载效率提高了两倍（从50.4%到99%），脂质体的药物负载效率提高了四倍（从14.28%到97.2%），具有持续的药物释放。这些发现为创新的药物输送系统和太空制药技术铺平了道路。

此外，自推进的纳米/微粒具有生命或仿生成分，进一步增强了癌症筛查和治疗。研究人员已经设计了自推进的纳米/微尺度执行器、催化Janus颗粒、磁或声引导的微机器人，以及由细菌和精子驱动的游泳者，还有红细胞来源的微机器人，它们可以主动导航间质空间，控制释放化疗药物、基因编辑器或放射增敏剂。这些生化混合设备自主探测3D系统中的TME的生化和机械线索，提供了2D检测无法捕捉的药物渗透和疗效的见解。生化混合颗粒可以模仿肿瘤微环境，使治疗剂的高通量筛选具有增强的预测准确性。它们的能力在生理屏障中导航，对pH或温度等刺激作出反应，并将药物负载直接输送到肿瘤部位，这在体内实验中具有前景。例如，研究人员设计了一种聚多巴胺包覆的核心-壳纳米机器人，携带吲哚菁绿（ICG）。在肿瘤周围注射后，第一个NIR-I激光脉冲加热PDA壳层，产生热致动作用，使纳米机器人通过密集的皮下组织移动。与此同时，ICG发出明亮的NIR-II荧光，使纳米机器人能够引导到肿瘤部位。这种靶向移动增强了光热剂在肿瘤部位的积累，提高了浅表光热治疗的有效性。一个携带STING激动剂的尿酶驱动的纳米机器人显示了膀胱壁的渗透和保留，显著增强了免疫激活和肿瘤抑制，在膀胱癌小鼠模型中。这种方法展示了标准卡介苗疗法和帕博利珠单抗，提供了一个有前景的平台用于膀胱癌免疫治疗。

此外，微重力在组织工程中的潜力促进了细胞自组装为球体和类器官，其应用包括太空探索和地球研究。然而，挑战包括优化微重力平台、适应地球重力以及解决细胞反应的异质性。未来的研究应专注于改进这些技术以实现可靠的、可扩展的体外模型。然而，这些进展具有显著的挑战。标准化仍然是一个持续的问题，因为支架材料、培养条件和球体特征的差异导致不同研究之间的不一致结果。可重复性和可扩展性也比2D系统差，限制了高通量应用和临床转化。虽然整合纳米/微粒显示出前景，但它们在不同3D模型中的行为需要进一步研究，使用先进的成像、计算建模和实时追踪。这些挑战突显了跨学科研究的必要性，以改进协议、提高纳米颗粒设计并建立3D培养系统的标准化基准。此外，人工智能和机器学习的整合可以处理复杂的纳米颗粒动力学、药物反应谱和TME相互作用，以准确预测治疗结果。未来的研究应专注于标准化3D培养模型，以确保不同实验室之间的一致性，并使其适用于药物测试。先进的成像和AI驱动的分析可以帮助追踪纳米颗粒在3D球体中的行为。研究微重力对肿瘤和药物输送的影响可能提供新的治疗方案。患者来源的3D模型可以帮助开发个性化治疗，使用纳米颗粒。

总之，3D培养和纳米技术的协同作用具有重新定义癌症治疗的潜力。这些进展可能减少临床试验失败，并通过更准确地模拟肿瘤微环境、提高药物输送和使用先进技术为患者提供靶向、有效的治疗。