构建三维生物打印微流控平台以研究乳腺癌骨转移及肿瘤微环境的影响

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Construction of a 3D Bioprinted Microfluidic Platform to Study Breast Cancer Bone Metastasis and Tumor Microenvironmental Influences

乳腺癌骨转移体外模型构建及微环境调控机制研究。通过开发含可调机械特性的HAMA/ColMA生物墨水，结合3D生物打印与微流控技术，成功模拟肿瘤核心、血管样区域和骨微环境，揭示刚度梯度促进肿瘤细胞增殖与迁移、CD44介导的血管内皮相互作用及VEGF调控的骨转移过程。生物墨水兼具高生物相容性与可印刷性，模型可精准调控细胞-基质互作及营养梯度。

　　乳腺癌（BrCa）是一种在女性中非常常见的恶性肿瘤，约占所有女性癌症病例的10.4%。在一项涉及264名转移性乳腺癌患者的临床研究中，73%的患者被发现存在骨转移现象。这表明骨转移是乳腺癌进展中的一个重要环节，严重影响患者的生存率。因此，阻止癌细胞扩散成为治疗的重要目标。肿瘤微环境（TME）包括细胞外基质（ECM）、基质细胞和可溶性因子，这些因素共同作用于癌症的发展。然而，目前的体外模型在复制这些复杂相互作用方面存在不足，主要依赖于二维系统，无法充分模拟肿瘤微环境的生理特性。因此，研究者开发了一种三维生物仿生骨转移芯片模型，以更真实地再现乳腺癌转移的关键微环境因素。

为了更准确地模拟肿瘤的微环境，研究团队利用了生物墨水（bioinks）这一技术。生物墨水能够调节机械特性，模拟肿瘤组织中不同区域的硬度变化。在本研究中，使用了甲基丙烯酸化的胶原蛋白（ColMA）和透明质酸（HAMA）作为主要的生物墨水成分，以复制乳腺癌组织、血管样区域和骨微环境。研究显示，核心生物墨水促进了乳腺癌细胞的增殖，而周边生物墨水则增强了细胞的干细胞特性以及上皮-间质转化（EMT），从而提高了转移潜力。此外，研究还引入了一种由甲基丙烯酸化明胶和羟基磷灰石（HAp）组成的三维骨样基质，用于模拟癌细胞的侵袭过程，从而促进乳腺癌细胞在骨样区域的迁移和定植。

体外模型的不足之处在于，它们无法全面反映肿瘤的异质性和复杂的微环境。许多研究已经指出，90%在二维模型中测试的药物在临床中均未表现出显著效果，这突显了向三维模型过渡的必要性。三维生物打印技术在构建肿瘤微环境方面展现出巨大潜力，它能够整合ECM成分、细胞间相互作用以及特定的结构，从而为疾病模型提供更接近实际的平台。本研究中，通过三维生物打印技术，将生物墨水与肿瘤球体结合，成功构建了乳腺癌微环境的模型。同时，研究还引入了微流控系统，用于提供营养和生长因子，使得研究者和临床医生能够在实验室环境中更真实地研究乳腺癌转移的全过程。

在构建这些生物墨水的过程中，研究团队对其化学结构、机械性能和生物相容性进行了优化。通过核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，确认了生物墨水的化学修饰和功能基团的引入。这些分析结果显示，生物墨水在保持结构完整性的同时，能够调节其硬度，从而更好地模拟乳腺癌组织中的不同区域。在生物相容性方面，研究团队通过细胞活性检测、乳酸脱氢酶（LDH）释放分析和MTT实验，确认了这些生物墨水对细胞无明显毒性，具有良好的生物相容性。这一发现为后续的实验研究提供了重要的基础，表明这些生物墨水适合用于模拟肿瘤微环境。

此外，研究团队还评估了不同生物墨水对乳腺癌细胞行为的影响。通过将乳腺癌细胞球体嵌入不同硬度的生物墨水中，观察其增殖、迁移和EMT能力的变化。结果显示，核心区域的生物墨水促进了细胞的增殖，而周边区域的生物墨水则增强了细胞的迁移能力，这与乳腺癌组织中核心区域较软、周边区域较硬的特性相符。在实验中，细胞迁移距离的定量分析进一步验证了这一结论，表明乳腺癌细胞在周边区域的迁移能力显著增强。这些发现不仅揭示了肿瘤微环境对细胞行为的影响，还为理解乳腺癌转移机制提供了新的视角。

为了模拟血管微环境对癌细胞迁移的影响，研究团队将内皮细胞（ECs）嵌入生物墨水中，并利用微流控系统评估其对细胞迁移的促进作用。实验结果显示，当血管样区域与乳腺癌细胞共培养时，细胞迁移能力显著提高。这表明血管微环境中的某些因子，如血管内皮生长因子（VEGF），在促进癌细胞迁移和侵袭方面起着重要作用。进一步的免疫荧光分析显示，VEGF的添加不仅促进了癌细胞的迁移，还增强了其干细胞特性，这为研究癌细胞的转移机制提供了新的思路。

在模拟骨转移过程中，研究团队利用羟基磷灰石（HAp）和甲基丙烯酸化明胶（GelMA）构建了骨样基质。这种基质不仅能够模拟骨组织的机械特性，还能提供一个适合癌细胞迁移和定植的环境。实验结果显示，当乳腺癌细胞从血管样区域迁移到骨样基质时，其迁移能力显著增强，表明骨微环境对癌细胞的侵袭具有重要影响。此外，研究还评估了不同生物墨水对细胞迁移的影响，发现骨样基质的硬度和结构对细胞迁移具有显著的调控作用。

本研究的创新之处在于，它成功构建了一个集肿瘤、血管和骨微环境于一体的三维生物芯片模型，能够模拟乳腺癌转移的全过程。这一模型不仅能够帮助研究人员更深入地理解癌细胞转移的机制，还能为评估潜在的抗转移药物提供一个可靠的体外平台。与传统的动物实验相比，这种模型能够减少对动物和人体的依赖，提高药物筛选的效率和准确性。此外，该模型还具备良好的可重复性和可调控性，使得研究者能够根据不同的实验需求调整生物墨水的组成和硬度，从而更精确地模拟不同的肿瘤微环境。

然而，尽管该模型在模拟乳腺癌转移方面表现出色，但仍存在一些局限性。例如，目前的研究仅使用了两种乳腺癌细胞系，这可能无法完全反映患者肿瘤的异质性。此外，虽然生物墨水能够模拟肿瘤的机械特性和化学成分，但其在复制天然组织的复杂结构方面仍有不足，如免疫细胞和骨微环境的动态变化。未来的研究可以进一步优化生物墨水的组成，引入更多的细胞类型和患者来源的样本，以提高模型的生理相关性和准确性。同时，还可以结合其他先进的生物工程技术和微流控系统，使模型更加接近真实的肿瘤微环境，从而为乳腺癌的治疗和药物开发提供更有力的支持。