《Macromolecular Materials and Engineering》：Engineering a Lung-Derived Extracellular Matrix-GelMA Hydrogel to Elucidate Alterations in Lung Tumor-Stroma-On-Chip
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肺癌的进展受细胞外基质（ECM）的动态变化调控，但传统体外模型尚不能充分捕捉这些变化。研究人员在此提出一种仿生肺肿瘤-基质-芯片，该芯片将脱细胞肺源性ECM（dlECM）与明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶相结合，以再现组织特异性的微环境动态。脱细胞方案经优
肺癌的进展受细胞外基质（ECM）的动态变化调控，但传统体外模型尚不能充分捕捉这些变化。研究人员在此提出一种仿生肺肿瘤-基质-芯片，该芯片将脱细胞肺源性ECM（dlECM）与明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶相结合，以再现组织特异性的微环境动态。脱细胞方案经优化后实现了约98%–99%的DNA去除，同时保持关键ECM组分的完整性，包括约70%的胶原蛋白、约62%的弹性蛋白以及硫酸化糖胺聚糖（sGAG）的近乎完全保留，从而确保了生化保真度。研究人员工程化制备了杂化的GelMA-dlECM水凝胶，以支撑多细胞结构：肺癌细胞形成中央肿瘤灶，周围包埋成纤维细胞，并在上层覆盖上皮细胞，从而模拟肺肿瘤微环境。力学表征显示，与健康模型（108.29 Pa）相比，肿瘤模型中的基质刚度增加（154.7 Pa），同时胶原和弹性蛋白沉积升高，表明存在癌症相关的基质重塑。与这些发现一致，MMP-2和MMP-9水平在早期时间点显著上调，反映了活跃的ECM降解和重塑过程。总体而言，该平台展示了生化组成与力学特性之间的相互作用如何调控肿瘤演进，为研究肺癌中ECM驱动的机制以及未来的治疗筛选应用提供了一种生理相关模型。
**论文解读：工程化肺源性ECM-GelMA水凝胶揭示肺肿瘤-基质-芯片中的细胞外基质改变**
**研究背景与问题**
肺癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，尽管手术、化疗和靶向治疗取得进展，但因肿瘤微环境（TME）的复杂性和广泛转移，多数患者确诊时已处于晚期，治疗效果有限。细胞外基质（ECM）是TME的关键组分，其动态重塑（如胶原沉积增加、基质刚度升高）直接驱动肿瘤进展、侵袭和耐药。然而，传统2D培养和动物模型难以真实再现ECM的生化与力学动态变化：2D培养缺乏三维组织结构和力学信号，动物模型存在伦理限制和种属差异。因此，亟需开发能够模拟人体肺ECM动态特征的体外模型，以深入理解肺癌-ECM相互作用并促进早期诊断与治疗筛选。微流控芯片和脱细胞ECM水凝胶为构建生理相关模型提供了新途径，但现有方法在平衡细胞去除与ECM保留、整合组织特异性组分方面仍存在挑战。
**研究内容与意义**
本研究通过优化牛肺组织脱细胞方案，结合脱细胞肺源性ECM（dlECM）与明胶甲基丙烯酸酯（GelMA），构建了一种新型复合水凝胶，并集成于微流控芯片平台，成功模拟了健康与肿瘤微环境下的ECM动态重塑过程。结果显示，该平台能够再现肿瘤相关基质刚度升高（肿瘤模型存储模量154.7 Pa vs 健康108.29 Pa）、MMP-2/MMP-9早期激活、胶原和弹性蛋白沉积增加等关键特征，同时观察到肺癌细胞从肿瘤灶向周围基质侵袭的时空动态。该研究为肺癌中ECM驱动机制的研究提供了生理相关且可重复的工具，并展示了其在抗肿瘤药物筛选中的潜力。论文发表在《Macromolecular Materials and Engineering》。
**关键技术方法概述**
研究人员主要采用以下方法：1）**脱细胞方案优化**：以新鲜牛肺（源自土耳其Konya农场）为材料，联合低浓度Triton X-100（0.1% v/v）和SDS（0.5% v/v）进行化学脱细胞，辅以物理震荡和酶处理，实现高效DNA去除（约99%）并保留胶原（~70%）、弹性蛋白（~62%）和硫酸化糖胺聚糖（sGAG）近100%；2）**复合水凝胶制备**：将脱细胞肺组织经酸-胃蛋白酶消化成预凝胶溶液，与5% w/v GelMA预聚体按75%:25%体积比混合，再通过紫外光交联（30秒，800 mW cm
-2）形成稳定水凝胶；3）**微流控芯片构建**：采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）模具和聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作组织腔室（8 mm × 15 mm × 3 mm），包埋A549肿瘤细胞（形成中央灶）、CCD-34Lu成纤维细胞（周围基质）和BEAS-2B上皮细胞（顶层），在摇动平台（0.1 rpm，产生~0.1 μm s
-1间质流）上培养14天；4）**生化与流变分析**：使用ELISA检测MMP-2/9，生化试剂盒测定总蛋白、胶原、弹性蛋白，流变仪（Discovery HR 30）评估存储模量、损耗模量和粘度。
**研究结果**
**3.1 脱细胞与表征**：通过优化双去垢剂方案（P2：0.1% Triton X-100 + 0.5% SDS），DNA含量从原生组织的3010.65 ng/mg降至55.53 ng/mg（~99%去除），DNA片段<200 bp，满足脱细胞金标准。两批次结果一致（54.05和57.07 ng/mg），表明方案可重复。总蛋白保留约50%（~728 μg/mg），胶原保留约72%（~72 μg/mg），弹性蛋白约62%（~52 μg/mg），sGAG几乎完全保留（~60 μg/mg）。扫描电镜（SEM）显示脱细胞后ECM超微结构完整。
**3.2 凝胶配方优化**：比较不同GelMA:dlECM体积比，75% GelMA-25% dlECM水凝胶中A549和CCD-34Lu细胞的代谢活性最高（吸光度0.255），因此作为后续配方。流变学显示该凝胶存储模量（G'）为198.89 Pa，损耗模量（G''）为5.6 Pa，表现出类弹性行为。生化分析表明，相比dlECM预凝胶，水凝胶中胶原（从318.82增至637.97 μg/mL）和弹性蛋白（从344.25增至875.92 μg/mL）含量升高，总蛋白略有下降（2947.41降至2419.26 μg/mL）。荧光成像证实BEAS-2B和CCD-34Lu细胞在水凝胶中活跃增殖。
**3.3 芯片模拟与ECM改变**：在芯片中构建肿瘤模型（A549中央灶+成纤维细胞+上皮细胞）和健康模型（仅成纤维细胞+上皮细胞），培养14天后：a) 细胞追踪显示A549从第2天开始向外侵袭，至第14天扩展最大；b) 流变学分析：肿瘤模型G'=154.7 Pa，高于健康模型108.29 Pa，低于无细胞凝胶198.89 Pa；所有模型tanδ<0.1，表现为类弹性行为；c) MMP-2/9：肿瘤模型第7天MMP-2为31.85 ng/mL、MMP-9为13.63 ng/mL，显著高于健康模型（10.46和6.14 ng/mL），第14天均下降（肿瘤MMP-2降至7.83 ng/mL，MMP-9降至0.46 ng/mL）；d) ECM蛋白：肿瘤组总蛋白4349.26 μg/mL、胶原788.93 μg/mL、弹性蛋白2650.86 μg/mL，均高于健康组（3671.11、433.30、1609.20 μg/mL）和无细胞组（2419.26、637.97、875.92 μg/mL）。这些结果共同表明早期MMP激活介导ECM降解与重塑，后期伴随基质沉积和刚度增加，再现了肿瘤相关ECM动态重构。
**结论与讨论**
本研究成功开发了一种基于脱细胞肺ECM和GelMA的复合水凝胶微流控芯片，能够模拟肺肿瘤微环境中的ECM重塑过程。关键发现包括：肿瘤模型基质刚度显著高于健康模型，MMP-2和MMP-9早期高表达后下调，总蛋白、胶原和弹性蛋白积累增加，以及肿瘤细胞从病灶向周围侵袭。这些现象并非简单的ECM降解，而是降解与沉积并存的动态重塑过程，其中MMP介导的早期蛋白水解暴露隐秘ECM基序、释放结合型生长因子，随后成纤维细胞和肿瘤细胞驱动的基质沉积导致组织结构化和力学硬化。该平台的可重复性（脱细胞批次间一致）和生理相关性（存储模量落在天然肺基质范围100–300 Pa内）使之优于Matrigel等不确定组分材料。研究结论强调，该复合水凝胶体系为研究肿瘤-ECM相互作用和筛选治疗策略提供了经济、可靠且生理相关的体外模型。未来可进一步整合免疫细胞或血管成分以拓展其应用。
