利用3D打印平台实现可调超热诱导细胞反应的结构控制

《ACS Biomaterials Science & Engineering》：Structural Control for Tunable Hyperthermia-Induced Cellular Responses Using 3D-Printed Platforms

Three-dimensional printing with iron oxide nanoparticles enables localized hyperthermia for studying cell responses and selecting heat-resistant subpopulations.摘要

　　3D打印技术在生物工程领域取得了革命性的进展，能够制造出复杂且高度定制化的结构，这些结构在形态上与特定功能高度匹配。随着技术的发展，研究重点逐渐从单纯的结构制造转向开发具有高度稳定性和精确沉积能力的打印材料。新一代的可打印材料不仅确保了结构和机械强度，还直接赋予材料额外的功能性，使得其在生物医学领域的应用更加广泛。通过将合理的结构设计与功能性材料相结合，研究人员能够开发出强大的工具，用于探索生物医学中的各种应用。

在本研究中，我们构建了一个平台，用于研究细胞培养中的热响应特性。通过诱导可控且局部的加热，我们评估了高温对癌细胞的影响，这是一种新兴的治疗方式，正逐渐受到关注，被视为一种有前景的抗癌策略。我们展示了通过结构控制的3D打印物体，这些物体由聚合物和铁氧化物（IO）组成，可以在红外照射下产生定义的热梯度，从而引发不同的细胞反应。使用数字光处理（DLP）打印技术，我们创造了高温模型，并证明了实验条件能够检测细胞敏感性的变化，例如，癌细胞在接触冷冻保护剂如海藻糖前，其热抵抗能力会受到显著影响。

此外，重复的热循环还促进了一个具有增强热抵抗能力和更高侵略性的细胞亚群的出现，这表明该平台能够根据热耐受性驱动适应性细胞选择。我们的研究结果表明，通过3D打印平台进行的热条件化可以作为研究细胞对高温反应的强大工具，并可能有助于优化基于高温的癌症治疗策略。

为了更深入地理解细胞对热刺激的反应，我们还评估了不同细胞类型在不同热条件下对细胞存活率的影响。例如，使用不同高度的IO含有圆盘，我们发现细胞存活率随着热条件的增加而降低。这些结果不仅揭示了细胞对热的耐受性差异，还为研究不同细胞类型在高温下的反应提供了重要的参考。同时，我们还发现海藻糖能够显著提高细胞的存活率，这表明它在热保护方面具有重要作用。

在细胞功能方面，我们观察到经过热处理的细胞在迁移实验中表现出更高的迁移能力和更快的伤口闭合速度。这表明热适应性可能与细胞的侵略性有关，即热处理可能通过上调热休克蛋白（HSP）的表达来促进细胞的迁移和侵袭能力。这种现象在多种癌症研究中已被报道，显示出热处理对细胞行为的深远影响。

我们的研究还探讨了热处理对细胞适应性的潜在机制。通过ELISA检测，我们发现经过多次热循环的细胞中HSP27的表达水平显著升高。HSP27作为一种小热休克蛋白，参与多种应激条件下的细胞适应过程，包括氧化损伤和热损伤。其在细胞保护、抗凋亡信号传导和转移中的作用已被广泛研究，而我们的研究结果进一步支持了HSP27在热适应性中的关键作用。这些细胞在热处理后表现出持续的HSP27表达，表明它们可能具有某种“热记忆”，即热处理后的细胞能够维持其对热应激的适应能力。

本研究中使用的3D打印平台具有许多优势。首先，它能够生成连续的热梯度，这在传统热研究中较为困难，因为常见的方法如水浴加热或金属丝加热缺乏对热分布的精确控制。其次，该平台的结构设计和材料选择使得热响应能够被精确调控，从而提供了一种高通量、标准化的实验方法。此外，平台的模块化设计允许研究人员根据不同的实验需求进行调整，适用于多种生物系统和实验设置。

然而，该平台也存在一些局限性。例如，基于红外的加热方法虽然简单且非接触，但容易受到灯的几何形状和暴露时间的影响，因此可能需要集成固定阶段的热源或热反馈系统以提高可重复性。此外，打印结构的不透明性限制了高分辨率成像，可以通过将细胞培养在标准板上并置于加热板上方来部分解决这一问题。热分布的映射也仅限于代表性图像，而宽视场成像可以更好地验证梯度并实现动态分析。

在生物反应评估方面，我们使用了Hoechst和Calcein染色来检测细胞存活率，这种方法可能忽略了早期的凋亡事件。因此，未来的研究可以考虑使用碘化丙啶（PI）或乙啶（EthD-1）等其他试剂，以提高对细胞死亡通路的机制解析能力。此外，虽然我们使用了海藻糖作为冷冻保护剂，但评估其他化合物（如葡聚糖或聚乙烯醇）可能会扩展我们对热诱导细胞保护的理解，并增强药物发现的潜力。

总的来说，本研究展示了一种基于3D打印的平台，用于研究细胞对热的响应。该平台不仅能够生成精确的热梯度，还能够支持多种实验条件下的细胞行为分析。通过这一平台，我们揭示了热处理如何通过上调HSP表达来诱导细胞适应性，从而促进具有更强侵略性的细胞表型。这些发现强调了高温治疗在临床应用中面临的挑战，即肿瘤在高温治疗后可能复发，同时也突显了该平台在热肿瘤学领域推动机制理解和转化应用的潜力。