利用电场调制实现动态细胞排列和光聚合，以构建分层的肿瘤微环境

《Acta Oecologica》：Dynamic cell patterning and photopolymerization with electric field modulation for constructing hierarchical tumor microenvironments

肿瘤微环境建模与调控方法，采用电场操控和数字微镜印刷技术，通过非均匀电场引导细胞形成紧密的球状体，结合动态光固化封装，构建具有多层次结构的类器官模型，验证了该方法在增强细胞活力、调控药物响应及模拟侵袭行为方面的有效性。

这项研究提出了一种创新的方法，通过结合电场操控和3D生物打印技术，构建出更接近真实肿瘤微环境（TME）的工程化肿瘤模型。传统的肿瘤球体模型虽然能够模拟部分肿瘤的特征，但它们在细胞-细胞和细胞-细胞外基质（ECM）的复杂相互作用方面存在局限。因此，研究人员致力于开发一种能够更精确地复制肿瘤微环境结构和功能的策略，这将为药物研发、癌症研究以及个性化医疗提供更为有效的工具。

在肿瘤研究中，模拟真实的肿瘤微环境对于理解肿瘤的生长机制、转移过程以及对药物的反应至关重要。肿瘤微环境是一个多层次、异质性的结构，由肿瘤细胞、基质细胞和细胞外基质等多种成分构成。这些成分之间的相互作用不仅影响肿瘤的生物学行为，还决定了其对治疗的敏感性。因此，构建一个能够反映这些复杂关系的模型，有助于科学家们更好地研究肿瘤的特性，并开发出更具针对性的治疗方法。

研究人员通过使用一种统一的电场，实现了细胞载荷水凝胶液滴的可控运输。这一过程使得细胞能够在特定位置聚集，形成具有特定结构的肿瘤球体。随后，通过非均匀电场诱导的介电泳（DEP）效应，进一步引导细胞在预设的模式下形成更紧密的结构。这种策略不仅提高了细胞聚集的可控性，还使得肿瘤球体的形态和功能更加接近于真实肿瘤。实验结果显示，通过这种方法形成的乳腺癌和肝癌肿瘤球体具有较高的细胞存活率、良好的增殖能力和规则的形态结构，其中肝癌球体的圆形度达到了0.84，表明其形态高度规则。

此外，研究人员还探索了如何通过动态控制紫外线（UV）图案来实现水凝胶的光聚合。使用数字微镜器件（DMD），他们能够精确地调整UV光的形状和位置，从而实现对水凝胶结构的定制化构建。这一技术使得肿瘤球体能够被包裹在特定的几何结构中，从而构建出更加复杂的肿瘤微环境模型。例如，当肝癌球体被封装在含有内皮细胞的水凝胶中时，其侵袭性增加了约77%。这一结果表明，所构建的模型不仅能够反映肿瘤细胞本身的特性，还能够模拟肿瘤与周围环境之间的复杂相互作用。

这一方法的优势在于其灵活性和可控性。传统的肿瘤球体形成方法，如悬挂滴培养、低粘附培养、旋转瓶培养和水包油微滴技术，虽然已被广泛使用，但它们在控制过程和可扩展性方面存在一定的限制。相比之下，主动方法利用外部力，如磁场、声场或电场，来引导细胞的聚集，从而提高模型的可控性和与外部系统的整合能力。电场操控方法因其设备简单、无需对细胞进行预先磁化而受到关注，但在构建复杂的肿瘤微环境方面仍有不足。因此，研究人员通过整合电场操控和3D生物打印技术，成功地构建出一种既能实现细胞聚集，又能精确控制水凝胶结构的多功能策略。

这种方法的应用前景广阔，特别是在药物筛选和癌症研究领域。传统的药物测试通常依赖于二维细胞培养或动物模型，这些方法在模拟真实肿瘤环境方面存在一定的局限性。通过构建更接近真实肿瘤的三维模型，研究人员可以更准确地评估药物对肿瘤细胞的影响，以及肿瘤微环境对药物作用的调节作用。此外，这种方法还能够支持个性化医疗的发展，因为可以根据患者的特定需求，构建出具有类似病理特征的肿瘤模型，从而实现更精准的治疗方案。

在实验过程中，研究人员首先利用数字微流控（DMF）模块对液滴和细胞进行操控，然后通过3D生物打印模块对液滴进行固化。整个系统的核心组件包括上层和下层基板，其中上层基板由涂有疏水层的氧化铟锡（ITO）玻璃制成，而下层基板则包含图案化的ITO玻璃、介电层和电极结构。通过这种设计，研究人员能够在精确控制的条件下，实现细胞的定向聚集和水凝胶结构的定制化构建。

为了进一步验证该方法的有效性，研究人员对形成的肿瘤球体进行了长期培养，并观察其在生理条件下的行为特征。结果显示，这些肿瘤球体不仅能够在培养过程中保持较高的细胞存活率，还能够表现出良好的增殖能力。随着培养时间的延长，肿瘤球体逐渐发展出与真实肿瘤相似的特征，如不同的生长区域和对药物的耐受性。这些发现表明，该方法能够成功地模拟肿瘤的复杂生物学行为，从而为相关研究提供可靠的模型。

在构建肿瘤微环境模型的过程中，研究人员还特别关注了细胞-细胞和细胞-ECM之间的相互作用。通过精确控制这些相互作用，他们能够更全面地模拟肿瘤微环境的异质性。这种异质性对于理解肿瘤的生长机制和治疗反应至关重要，因为不同的细胞类型和ECM成分在肿瘤微环境中扮演着不同的角色。例如，内皮细胞的存在可能会影响肿瘤球体的侵袭性和血管生成能力，而肿瘤相关成纤维细胞则可能在肿瘤的生长和转移过程中发挥重要作用。

此外，研究人员还探讨了该方法在实际应用中的潜力。由于其高度的可控性和可扩展性，这种方法有望被广泛应用于药物筛选、癌症研究和个性化医疗领域。在药物筛选方面，研究人员可以利用该方法构建多种肿瘤模型，以评估不同药物对肿瘤细胞的影响。在癌症研究方面，这种方法能够帮助科学家们更深入地了解肿瘤的生物学特性，以及肿瘤微环境在疾病进展中的作用。在个性化医疗方面，这种方法可以根据患者的特定病理特征，构建出更加个性化的肿瘤模型，从而为个体化的治疗方案提供支持。

总体而言，这项研究提出了一种创新的方法，通过整合电场操控和3D生物打印技术，构建出更接近真实肿瘤微环境的工程化模型。这种方法不仅提高了模型的可控性和可扩展性，还能够更准确地模拟肿瘤的复杂生物学行为，从而为药物研发和癌症研究提供更为有效的工具。未来，随着技术的不断进步，这种方法有望在更广泛的领域中得到应用，为医学研究和临床实践带来新的突破。