基于海藻酸盐、明胶和I型胶原蛋白的仿生核心-壳层乳腺癌模型：用于模拟肿瘤基质以评估药物疗效

《International Journal of Biological Macromolecules》：Biomimetic core-shell breast cancer models using alginate, gelatin, and collagen I: simulating the tumor matrix for drug evaluation

乳腺癌3D体外模型通过果胶-明胶-I型胶原核壳水凝胶珠制备，模拟肿瘤细胞外基质特性。实验显示含I型胶原的模型能上调Col1A1、Ki67等恶性标志物及ABCG2、CYP1A1等耐药基因表达，增强细胞增殖代谢，形成高耐药性微球。模型机械性能（杨氏模量2.2-5.4 kPa）与孔隙结构（SEM证实大孔径）符合乳腺癌组织特征，为药物筛选提供新工具。

　　乳腺癌是全球女性中最常见的癌症之一，其发病率和死亡率均较高。为了更好地模拟肿瘤的发展过程和治疗反应，研究人员致力于开发更贴近真实肿瘤环境的体外模型。目前，二维（2D）细胞培养和动物模型仍是药物筛选的主要工具，但它们在模拟肿瘤的复杂结构、细胞间相互作用及细胞与细胞外基质（ECM）的交互方面存在局限。因此，构建能够再现肿瘤微环境（TME）的三维（3D）体外模型成为研究肿瘤生物学行为和评估抗癌药物效果的重要方向。

本研究开发了一种创新的乳腺癌3D体外模型，该模型由核心-壳结构的水凝胶珠组成，核心由明胶、海藻酸钠和I型胶原蛋白（Col1）构成，壳则由海藻酸钠构成。这种结构能够更精确地再现肿瘤的物理特性，如ECM的硬度和孔隙率。模型的设计借鉴了乳腺导管原位癌（DCIS）的生理特征，即癌细胞在导管内增殖并被包裹在由肌上皮细胞和基底膜形成的胶囊中。此外，海藻酸钠壳的加入不仅提供了机械稳定性，还防止了细胞在珠体外的扩散，同时保证了营养和药物的扩散。胶原蛋白的引入进一步提升了模型的生理相关性，因为其在乳腺肿瘤微环境中高度表达，有助于模拟肿瘤的硬度和侵袭性。

为了验证模型的性能，研究者通过压缩测试评估了水凝胶的机械性能，并利用扫描电子显微镜（SEM）分析了其孔隙率。结果表明，所有原型均具有相似的孔隙结构，有利于细胞的扩散和代谢活动。此外，模型的硬度与体内乳腺肿瘤的硬度范围相符，从而更好地模拟了肿瘤的物理环境。

研究还评估了模型中MCF-7细胞的增殖和代谢活动。通过AlamarBlue和PicoGreen实验，发现含有胶原蛋白的核心结构能够显著提高细胞的代谢活性。这表明，胶原蛋白在调控细胞代谢和增殖方面具有重要作用。同时，模型中的细胞形成球体和细胞聚集体，表现出较高的增殖能力，且在体内环境中更为常见。

在细胞形态方面，通过共聚焦显微镜观察到MCF-7细胞在所有模型中形成了球体和细胞聚集体。含有胶原蛋白的模型显示出更小且更紧密的球体结构，这与胶原蛋白的硬度和其在肿瘤微环境中的作用有关。胶原蛋白的硬度可能促使细胞形成更紧密的结构，从而增强其侵袭性。

为了进一步了解细胞的侵袭性，研究者分析了多种与侵袭相关的基因表达，包括HIF1α、CSRP2、WASL、CTTN、ACTA1、MYO1E、TPM4、PODXL、ITGA2、ITGA5、MENA、EGFR和CDC42。结果显示，含有胶原蛋白的模型在这些基因的表达上表现更为显著，说明这些模型能够更好地模拟体内肿瘤的侵袭行为。特别是EGFR和CDC42的表达增加，可能与激活某些信号通路有关，从而促进细胞迁移和侵袭能力。

在恶性程度方面，研究者分析了多个与肿瘤恶性相关的基因，如Col1A1、FN1、HAS2、LAMB1、YAP1、WWTR1、FOXC2、SNAI1、NFKB1和PTK2。结果显示，含有胶原蛋白的模型在这些基因的表达上更为显著，表明这些模型能够更好地再现体内肿瘤的恶性特征。YAP1和WWTR1作为Hippo信号通路的关键效应器，其高表达可能与肿瘤细胞的增殖和侵袭能力有关。

此外，研究者还评估了模型对多药耐药（MDR）相关蛋白的表达，如ABCG2和CYP1A1。结果表明，含有胶原蛋白的模型在这些蛋白的表达上显著增加，说明这些模型在模拟体内肿瘤的耐药特性方面具有优势。同时，BAX和BCL2的表达分析显示，这些模型能够更准确地反映体内肿瘤对药物的反应。

本研究开发的3D体外模型不仅能够更准确地模拟乳腺癌的复杂微环境，还能用于评估抗癌药物的疗效和耐药性。该模型的硬度、孔隙率和细胞行为均与体内肿瘤特性相符，使其成为一种有价值的工具，用于药物筛选和抗癌治疗研究。然而，由于研究中仅使用了一种细胞系（MCF-7），模型的普适性可能受到限制。未来的研究可以扩展到其他乳腺癌细胞系和肿瘤相关细胞，以进一步验证模型的适用性。此外，研究还应评估药物在模型中的扩散情况，以更全面地理解药物耐受性的机制。通过这些改进，3D体外模型有望成为更接近体内肿瘤行为的实验平台，从而推动乳腺癌治疗的创新。