《Next Nanotechnology》：Convergence of 3D bioprinting and nanomedicine for advanced lung cancer modeling and targeted therapy
肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因之一，晚期诊断和不良治疗结局仍是重大临床问题。传统化疗和放疗因全身毒性、耐药性及缺乏肿瘤特异性而受到限制。研究人员进行了系统文献检索与数据汇编，以探讨三维（3D）生物打印与纳米医学在肺癌中的融合；详细检索策略和纳入标准基于近期文献描述。研究识别了不同的纳米囊泡系统，并讨论了靶向策略，重点关注两项创新技术的整合。3D生物打印通过将肺癌细胞、生物材料和细胞外基质进行精确空间控制，能够紧密模拟天然肿瘤微环境。聚合物纳米颗粒、脂质体和金属纳米颗粒等纳米材料可提高药物溶解度、稳定性和肿瘤靶向治疗能力。可吸入纳米载体系统能够增加药物在肺局部的浓度并降低全身毒性。围绕肿瘤微环境特征、生物打印模型设计、纳米医学测试、治疗读出和临床转化这一框架，本综述综合阐述了将3D生物打印与纳米技术整合如何产生一个生理相关平台，用于评估抗癌药物、探究耐药机制以及构建患者特异性治疗模型。与传统二维细胞培养系统相比，这种联合方法在精准肿瘤学方面具有显著改进。3D生物打印和纳米医学在加速个性化肺癌治疗临床转化方面潜力巨大，但血管化、规模化和监管标准化等问题仍需克服。
肺癌是最常见的癌症相关死亡原因之一，在全球癌症死亡中占相当大比例。非小细胞肺癌（NSCLC）约占所有肺癌的85%，且常在晚期才被诊断，从而限制了常规治疗方法的有效性[1-5]。尽管化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗取得了显著进展，但治疗耐药、全身毒性和疾病复发仍常常损害临床结局[6]。传统的二维（2D）细胞培养模型不能有效重现肿瘤微环境的复杂性，这是临床前模型预测能力不足和临床转化差的一个因素[7]。为规避这些缺陷，三维（3D）细胞培养系统因其能够更好地重现肿瘤结构和细胞异质性以及生理行为而受到越来越多的关注。其中，3D生物打印已成为一种革命性技术，能够精确排列细胞、生物材料和生物活性因子的空间位置，从而生成具有生理相关性的肿瘤构建体。通过整合细胞外基质、血管样网络和不同细胞群体，生物打印肺癌模型与天然肿瘤组织高度相似，进而提高了药物疗效和毒性检测的准确性。这些改进系统已有效用于抗癌药物筛选、治疗耐药机制研究以及高度个性化治疗方案设计。此外，生物打印技术具有高可重复性和可扩展性，使其在标准化癌症研究和药物开发中具有特殊价值[8,9]。与此同时，基于纳米材料的药物递送策略在肺癌治疗中展现出前景。聚合物纳米颗粒、脂质体、树状大分子、金属纳米颗粒和碳基纳米材料等纳米载体可提高药物溶解度、延长体循环半衰期，并实现药物的可控和靶向递送。可吸入纳米医学制剂具有直接向肺组织给药的额外优势，可提高局部药物水平并减少全身副作用。近期研究强调，纳米技术与3D生物打印癌症模型的协同作用可作为在生理相关肿瘤微环境中评估纳米药物性能的先进平台。这种组合通过允许对患者个体进行治疗评估，并在床旁与实验台之间快速转化创新的肺癌治疗方法，从而促进精准肿瘤学的发展[10,11]。
本综述按从肺癌基础生物学到临床适用性的逻辑链条展开。首先，涵盖肺癌病理生理学和影响疾病进程及治疗耐药的肿瘤微环境重要特征。随后，综述探讨3D生物打印技术的最新进展，包括生物墨水、细胞来源和肺癌模型，以及这些技术如何帮助模拟天然肿瘤微环境。接着，批判性讨论目前基于纳米医学的靶向药物递送、成像和治疗诊断策略。最后，讨论3D生物打印与纳米医学结合的潜力，重点关注纳米颗粒评估、治疗效果和精准肿瘤学。最后，讨论整合型3D生物打印纳米医学平台用于个性化肺癌治疗所面临的挑战、未来前景和临床转化。图1总结了本综述遵循的概念框架。
**1.1 文献检索策略**
研究人员在2023年6月至2026年8月期间，对PubMed、Scopus和Web of Science三个主要科学数据库进行了系统性文献检索，以识别与3D生物打印和纳米医学在肺癌建模与治疗中融合相关的同行评审英文文章。检索策略结合了受控词汇和关键词，并针对不同数据库采用相应的布尔逻辑（Boolean）语法。纳入标准包括：（1）描述3D生物打印技术应用于癌症或肺部疾病的原创研究、综述或会议摘要；（2）针对肺癌治疗的纳米材料或纳米载体系统研究；（3）与耐药相关的肿瘤微环境特征研究；（4）涉及生物打印与纳米医学方法整合的文章；（5）临床试验数据或转化研究。排除标准包括：（1）非英文出版物；（2）早于2013年的文章；（3）无实验验证的纯理论研究；（4）非肺特异性研究；（5）重复出版物。
**2. 肺癌病理生理学**
肺癌是一种高度异质性的恶性肿瘤，其特征是发生在肺部支气管或肺泡的恶性细胞不受控制的增殖。组织病理学上，肺癌主要分为非小细胞肺癌（NSCLC）和小细胞肺癌（SCLC），其中约85%的诊断为非小细胞肺癌。肺癌的病因由长期暴露于致癌因素（烟草烟雾、环境污染物和职业危害）下遗传和表观遗传改变的积累所决定。在分子水平上，表皮生长因子受体（EGFR）和Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因（KRAS）等癌基因驱动因子以及TP53和RB1等肿瘤抑制基因被激活，其功能丧失或获得与肺癌进展相关。这些改变导致胞内信号级联异常，特别是磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/Akt、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和Janus激酶/信号转导与转录激活因子（JAK/STAT）通路，总体上刺激细胞增殖、血管生成、侵袭和转移扩散。此外，持续炎症和氧化应激进一步增强基因组不稳定性，并帮助重塑肿瘤微环境，进一步促进疾病进展。肺癌病理生理学的核心在于肿瘤微环境在免疫逃逸、治疗耐药和转移调控中的作用。癌症相关成纤维细胞、免疫细胞和细胞外基质成分之间的相互作用，加上缺氧，形成了一个有利于癌细胞生存并降低抗癌治疗效果的促进性生态位[2,4,12-14]。
**2.1 肺癌当前治疗格局**
肺癌的治疗取决于肿瘤组织学、分子特征和疾病分期，通常采用手术、化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗相结合的多模式方法[15]。手术切除仍是早期NSCLC的首选治疗，常辅以辅助化疗以减少复发，但相当大比例的患者确诊时已是晚期或转移性疾病，无法进行根治性手术[16]。铂类方案（顺铂或卡铂联合）仍是晚期疾病的标准治疗，但受限于剂量相关的全身毒性、仅中等的生存获益以及细胞毒性药物的非特异性生物分布。针对EGFR和间变性淋巴瘤激酶（ALK）的分子靶向药物在基因定义的亚组患者中显著改善了结局，但获得性耐药仍是限制长期疗效的核心问题。靶向程序性细胞死亡蛋白-1（PD-1）和程序性死亡配体-1（PD-L1）的免疫检查点抑制剂——包括纳武利尤单抗、帕博利珠单抗和阿替利珠单抗——在一部分患者中产生持久反应，但不一致的反应率、免疫相关不良事件以及缺乏稳健的预测性生物标志物限制了其更广泛的应用[16]。放疗在根治性和姑息性治疗中均仍很重要，但受限于对健康肺组织的附带损伤。总体上，肿瘤异质性、复杂的肿瘤微环境、药物渗透不足和全身毒性持续限制当前肺癌治疗的整体有效性，推动了后续章节讨论的个性化医学、合理联合方案和基于纳米技术的递送策略[2,4,17-20]。
**2.2 肺癌类型**
肺癌的两大类为：非小细胞肺癌（NSCLC）和小细胞肺癌（SCLC），取决于肿瘤的组织病理学和分子特征。NSCLC约占所有肺癌病例的85%，主要亚型包括鳞状细胞癌、大细胞癌和腺癌。其中腺癌最常见，常见于非吸烟者，且常伴有EGFR、KRAS和ALK等癌基因的遗传改变。鳞状细胞癌与烟草摄入密切相关，通常起始于肺部中央支气管区域。小细胞肺癌约占15%的病例，其特征在于侵袭性生物学行为、高肿瘤生长速率、早期转移和神经内分泌分化。尽管SCLC在初始阶段对化疗和放疗非常敏感，但该疾病常以早期复发和长期生存差为特征[2,4,21]。
**2.3 肺癌中的肿瘤微环境**
肺癌肿瘤的肿瘤微环境（TME）是一个高度复杂和动态的生态系统，由癌细胞、基质、免疫细胞群体、细胞外基质（ECM）成分以及种类繁多的细胞因子和生长因子组成。癌症相关成纤维细胞、肿瘤相关巨噬细胞、调节性T淋巴细胞、髓源性抑制细胞和内皮细胞是肺癌TME中的一些主要细胞成分。所有这些成分通过广泛的旁分泌相互作用和ECM重塑，最终导致肿瘤生长、血管化、免疫逃逸和转移扩散。肺肿瘤中的缺氧微环境刺激缺氧诱导因子（HIFs），进而促进血管生成信号并导致对化疗和放疗的耐药。免疫细胞，尤其是具有M2样表型的肿瘤相关巨噬细胞，在调节抗肿瘤免疫反应和促进肿瘤进展与侵袭中发挥核心作用。此外，由致密细胞外基质和异常血管结构形成的TME物理和生物屏障使得药物递送效率低下，从而降低了抗癌治疗的整体疗效。纳米医学的最新进展表明，调节肿瘤免疫微环境是克服免疫抑制、增强免疫细胞浸润和改善治疗效果的策略，这凸显了在仿生肺癌模型中精确重现这些TME成分的重要性[22]。由于3D生物打印可以独立地对这些成分中的每一个进行空间模式化，该领域的若干设计策略直接映射到特定的TME特征：通过构建体厚度和扩散限制几何结构重现缺氧梯度；通过生物墨水交联密度调节ECM密度和刚度；通过牺牲性墨水或同轴打印通道近似异常血管；通过将CAFs、TAMs或Tregs与肿瘤细胞共打印重现免疫/基质串扰——这一映射在第4.1节和第6.3节中进一步展开。图2描绘了肿瘤微环境（TME）的主要细胞和非细胞成分。
**3. 3D生物打印概述**
**3.1 3D生物打印原理**
三维（3D）生物打印是一种先进的增材制造方法，允许以层层叠加的控制方式沉积活细胞、生物材料和生物活性因子，以产生功能性组织结构。3D生物打印的原理基于计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）系统，其中具有精确空间结构的生物结构是可重复的。基于挤出的平台、基于喷墨的平台、基于激光辅助的平台和基于立体光刻的平台是3D生物打印平台，主要根据其打印机制进行分类[24,25]。其中，在肺组织工程领域最广泛使用的方法是挤出式生物打印，因为它能够处理高粘度生物墨水并实现高细胞密度。使用喷墨的生物打印过程具有高打印分辨率，但受限于需要低粘度生物墨水和相对较低的细胞浓度。激光辅助生物打印提供出色的打印保真度和打印后细胞活力，但面临高操作成本和复杂系统布置的挑战。控制3D生物打印整体成功的几个关键参数是生物墨水可打印性、细胞活力、打印构建体的机械稳定性以及打印后成熟和组织发育[26-29]。
四维（4D）打印是3D打印的另一种新颖形式，它利用刺激响应型和智能材料整合了第四维度（时间）。与静态的3D打印结构不同，4D打印结构还可以响应外部或环境条件（如温度、pH、光、湿度、电场或磁场）改变其形状、结构或功能。4D生物打印的发展使得由智能水凝胶、形状记忆聚合物和其他响应性生物材料制成的动态和适应性组织结构得以创造。这些动态系统在组织工程、药物递送、再生医学甚至个性化医疗保健中具有潜在应用。在肺癌研究层面，4D打印可以提供机会来创造更具生理动态性的肿瘤模型，反映肿瘤微环境的时间变化，并配合纳米医学用于药物筛选和精准治疗方法[30,31]。
**3.2 肺组织工程中使用的生物墨水**
生物墨水是旨在包裹活细胞并在生物打印期间和之后提供所需结构支架和生化信号的可生物相容性溶液。基于天然聚合物的生物墨水，如海藻酸盐、明胶、胶原蛋白、纤维蛋白、透明质酸和甲基丙烯酰化明胶（GelMA），因其优异的生物相容性和与天然细胞外基质的紧密相似性而广泛用于肺组织工程过程。海藻酸盐基生物墨水因其快速离子交联、易于处理和高度可打印性而被主要使用；但由于其低细胞粘附能力，通常需要化学或生物修饰。GelMA因其可调的机械性能、光交联和强大的支持细胞存活和生长的能力而在肺生物打印中受到广泛关注。除天然聚合物外，合成聚合物，包括聚乙二醇（PEG）和聚己内酯（PCL）及其组合配方，也用于增加生物打印肺构建体的机械强度和结构稳定性。为了解决单个组分的内在局限性，已开发了结合天然和合成聚合物的混合生物墨水，在生物学功能和机械完整性之间提供了更优化的平衡[32-34]。
**3.3 肺生物打印的细胞来源**
选择适当的细胞来源是有效生产功能性生物打印肺组织构建体的关键决策因素。原代人肺细胞，如肺泡上皮I型和II型细胞、气道上皮细胞、成纤维细胞和内皮细胞，通常用于有效重建肺组织的天然结构和功能。其中，肺泡上皮II型细胞最为重要，因为它们分泌肺表面活性物质并作为肺泡修复和再生的祖细胞类型。3D生物打印的原理基于CAD/CAM系统[35-38]。
**4. 3D生物打印在肺癌中的应用**
3D生物打印的使用已成为一种革命性技术，用于产生比传统2D细胞培养更能代表肿瘤微环境的体外肺癌模型，从而允许更生理相关的研究。这些生物打印模型已在肺癌研究和临床前研究的多个关键领域得到应用：
- **仿生肺肿瘤模型构建**：已通过3D生物打印制备肺癌模型，使用负载细胞的海藻酸盐/明胶/纤维蛋白原等生物墨水制成多孔水凝胶支架。这些技术允许长期培养细胞，使肺癌细胞能够持续培养，在体外比2D培养更能代表肿瘤行为，从而便于研究肿瘤生物学和演变。
- **药物筛选/治疗评估**：使用生物打印肺肿瘤模型作为抗癌药物筛选平台，基于相应的3D培养与2D培养相比对药物反应产生不同环境这一事实。这些模型可用于在更生理相关的条件下评估化疗效果和药物作用机制。
- **肿瘤微环境机制研究**：已建立更复杂的模型，考虑肿瘤细胞外基质（ECM）特性和可调节刚度，以探索基质力学对癌细胞增殖、侵袭和基因表达的贡献，补充对肿瘤-基质相互作用和耐药机制的理解。
- **复杂微环境的VTCs**：已生物打印具有血管通道或脱细胞ECM支架的肺癌模型，以支持肿瘤微环境的更多方面，如灌注和纤维化微环境。此类血管化系统用于评估药物渗透、耐药和基质相互作用。
- **成像和治疗研究整合**：生物打印肺癌模型也已纳入小鼠体模等生物打印系统，以在生理相关的受控系统中研究对放疗方式的反应，增强对放射反应和联合治疗的临床前评估。
表1展示了3D生物打印肺癌模型的最新进展。Daly等人（2021）将患者来源的NSCLC细胞生物打印在GelMA水凝胶中，测试顺铂、紫杉醇，发现生物打印肿瘤比2D培养表现出更高的耐药性，并改善了临床药物反应的预测。Langer等人（2022）使用海藻酸盐-GelMA构建多细胞肺肿瘤模型（癌细胞+成纤维细胞），测试多柔比星，发现基质成分显著降低了药物渗透和疗效，模拟了体内耐药。Yi等人（2022）构建了血管化3D生物打印肺癌构建体，测试吉非替尼，发现血管网络影响药物扩散和EGFR-TKI敏感性。Zhang等人（2023）构建了含肿瘤微环境成分的3D生物打印肺癌球体，测试多西他赛，展示了真实的肿瘤生长、缺氧形成和化疗耐药。Wu等人（2024）构建了患者特异性生物打印肺腺癌模型，测试奥希替尼，准确预测了患者特异性治疗反应和耐药模式[41-45]。
**4.1 3D生物打印肺癌模型**
三维（3D）生物打印肺癌系统是高科技体外系统，代表了原始肺肿瘤的结构、细胞和生化复杂性的高水平。与先前的二维（2D）培养和简单的多细胞球体培养不同，3D生物打印可以方便地将恶性细胞、基质成分和细胞外基质成分精确地空间组织到受控结构中。这些模型有助于重现肿瘤微环境的关键特征，如缺氧梯度、营养和氧气扩散受限以及细胞间动力学，这些对肿瘤病理学和治疗反应至关重要。反过来，3D生物打印肺癌支架已广泛用于抗癌药物筛选、机制研究和基于纳米医学的治疗干预测试。它们能够复制体内型药物渗透和耐药模式，这增强了其预测能力，使其优于旧的体外测试方法[46]。
**4.2 个性化医学和患者特异性肿瘤模型**
三维（3D）生物打印的使用使得能够利用直接来自个体患者活检获得的肿瘤细胞创建患者特异性肺癌生物反应器。这些生物打印支架包含保持每个肿瘤遗传和分子异质性的个性化构建体，使得能够测量个体肿瘤对药物的反应和耐药机制。因此，患者定制的3D生物打印肺癌模型为精准医学提供了强大的平台，因为它们在临床实践之前提供了优化治疗方案的機會。这类模型减少了对经验性、试错方法的依赖，并具有提高整体治疗有效性和患者获益的巨大潜力[45,47,48]。
**4.3 用于再生应用的生物打印肺组织**
除用于癌症模型外，三维（3D）生物打印在肺组织再生和修复方面也显示出显著潜力。生物工程肺构建体（生物打印）中的上皮细胞、内皮细胞和干细胞群体旨在修复被破坏的肺结构并促进功能恢复。在再生肺研究中，胶原蛋白、甲基丙烯酸明胶和脱细胞肺细胞外基质作为天然生物墨水已被广泛研究，因为它们具有仿生性且细胞相互作用良好。此外，生物打印肺组织模型可用于研究肺发育和疾病进展以及确定再生治疗方法。虽然全尺寸、完全功能化的大规模肺组织制造仍是一个巨大挑战，但生物打印分辨率、血管化方案和生物材料构建的持续进展在未来临床应用中显示出巨大潜力[32,49,50]。
**5. 纳米材料在肺癌治疗中的应用**
纳米技术因其增强药物递送和治疗效果以及降低系统毒性的能力，作为肺癌治疗管理的新方法受到广泛关注。纳米材料能够通过精确控制粒径、表面性质和功能化等理化参数，实现对肿瘤组织和细胞靶点的特异性相互作用。正是这些独特性质导致了对基于纳米材料的平台在肺癌治疗、诊断和成像中的全面研究[51,52]。表2展示了用于肺癌治疗的纳米材料分类。纳米材料分类包括有机纳米材料（聚合物纳米颗粒、脂质体、胶束、树状大分子）、无机纳米材料（金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、量子点）、碳基纳米材料（碳纳米管、石墨烯基材料）和混合纳米材料（有机-无机杂化物）。
**5.2 用于肺癌靶向药物递送系统（TDDS）的纳米载体**
抗癌纳米颗粒形式的靶向药物递送系统（TDDS）被设计为仅将抗癌药物运送到特定肿瘤位置，而不影响身体其他部位。这些纳米载体利用被动靶向，最显著的是增强渗透性和滞留（EPR）效应，该效应靶向在肿瘤组织中的积累。此外，主动靶向方法涉及用特定配体（如抗体、肽、适配体或叶酸）功能化纳米载体表面，这些配体识别肺癌细胞上过表达的受体。TDDS中考虑了多种纳米载体系统，包括脂质体、聚合物纳米颗粒、固体脂质纳米颗粒和纳米乳。基于可吸入纳米载体的系统已特别设计用于支持肺部递送以治疗肺癌，从而可以提高肺组织中的局部药物浓度，并最大限度地减少全身分布。总体而言，与传统药物制剂相比，纳米载体介导的TDDS在治疗效果、降低耐药性和减少全身不良反应方面显示出更大的效力[53-55]。刺激响应性药物递送、线粒体靶向和免疫调节策略的加入扩展了纳米医学对肺癌和其他实体瘤的治疗潜力，为精准纳米治疗学铺平了道路[56]。
**5.3 用于肺癌成像和诊断的纳米材料**
纳米材料在肺癌成像和诊断中发挥关键作用，以提高检测灵敏度、特异性和对比度分辨率。功能化纳米颗粒的成像能够早期检测肿瘤并用于癌性病变的手术定位。金纳米颗粒和氧化铁纳米颗粒分别常被用作计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）的对比增强剂。此外，量子点具有独特的光学性质，如高荧光强度和高光稳定性，使其成为肺癌细胞光学成像的理想选择。此外，多模式纳米颗粒的创建，即诊断和治疗纳米材料，也称为治疗诊断纳米颗粒，允许同时检测和治疗癌症。使用这些基于纳米材料的诊断平台可以实时监测治疗反应和疾病进展，从而可以实现更好、更个体化的肺癌管理[55,57,58]。
**6. 3D生物打印与纳米技术在肺癌治疗中的整合**
纳米技术与三维（3D）生物打印的结合为创建复杂的肺癌模型和治疗平台提供了新的前景。虽然3D生物打印能够创建与自然界中完全一样的仿生肿瘤结构，但纳米技术有助于建立药物递送、改善成像和治疗有效性的过程。它们的结合提供了一种强效的方法来重建肺肿瘤微环境，以及在生理相关条件下测试基于纳米医学的抗癌疗法。图3说明了汇聚工作流程：（A）将患者来源的肿瘤细胞与纳米材料增强的生物墨水结合，以制造重现天然肿瘤微环境的3D生物打印肺癌构建体；（B）纳入的纳米材料类型包括聚合物纳米颗粒、脂质体、金纳米颗粒、氧化石墨烯和二氧化硅纳米颗粒，每种提供不同的药物递送、成像或光热治疗能力；（C）集成3D生物打印-纳米载体平台能够对纳米颗粒渗透、受控药物释放和治疗效果进行生理相关评估；（D）该平台的发现为患者特异性精准肿瘤学治疗决策提供信息，并加速新型肺癌疗法的临床转化[59-61]。熔融沉积建模（FDM）也用于融合这两项创新技术[62-65]。
**6.1 纳米颗粒与生物墨水之间的相互作用**
基于纳米材料的生物墨水是指复合材料，即纳米颗粒和可打印生物材料的混合物，可提供改善的机械性能和生物活性以及整体多功能性。包括金纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、氧化石墨烯和聚合物纳米颗粒在内的纳米材料增强了生物墨水的可打印性、结构稳定性和生物活性。在这些生物墨水中，纳米颗粒可以作为局部药物储库，使抗癌药物在生物打印肺肿瘤模型中以受控和持续的方式释放。此外，纳米材料的存在带来了类似于天然细胞外基质的纳米级线索，刺激细胞粘附、增殖和分化。总之，这些多功能生物墨水允许生产智能肿瘤模型，有可能将药物递送、成像和治疗评估整合到单个生物打印系统中[32,33,66]。
**6.1.1 纳米材料对生物墨水性质和生物打印结果的影响**
纳米材料也可以掺入水凝胶基质中，以大大改善生物墨水性质，例如用于平滑挤出和高形状保真度的粘弹性性质，以及复杂解剖结构的可打印性[67]。这些纳米颗粒还具有增强剂的作用，调节交联动力学，并增强打印支架的机械稳定性，同时保留精细的细胞微环境，类似于肺肿瘤的天然ECM[68]。在此过程中，细胞暴露于剪切应力；因此，越来越多地使用自动混合装置来确保细胞和纳米材料分布的均匀性，从而最大限度地减少局部毒性[69]。打印后，这些纳米复合模型可以用作高级药物评估平台，以高度受控和局部化的方式释放药物，不同于允许药物快速爆发释放的2D培养，并大大增强治疗药物对深层肿瘤的渗透[70]。总之，通过使用自动化、机器驱动的方案标准化这些生物墨水变量获得的患者特异性肺癌模型，对于确保这些模型的可重复性以及促进其转化和监管潜力至关重要。
**6.2 结合纳米载体的生物打印肿瘤模型**
具有基于纳米载体的药物递送系统的三维（3D）生物打印肺癌芯片模型代表了高级抗癌药物筛选平台。通过将纳米载体纳入生物打印构建体，可以在生理条件下评估纳米颗粒的生理渗透、内化和治疗效果。表3显示了结合纳米载体的生物打印肿瘤模型。Sun L.等人（2023）在3D肺癌模型中使用多孔水性可生物降解聚氨酯（WBPU）支架和A549 NSCLC细胞，测试G8mE1900胶束（紫杉醇）和GFHPM胶束（多柔比星），发现3D球体比2D细胞耐受性高得多（IC50高6.5-11倍），并匹配体内肿瘤反应；纳米载体在3D模型中的渗透比2D慢，模拟了小鼠皮下和原位肺肿瘤。Grilli F.等人（2023）在A549肺癌细胞3D球体模型中使用负载CD47靶向siRNA的氧化石墨烯（GO）纳米载体，发现小的、PEG/PAMAM修饰的GO在球体中产生>90%转染效率；球体在转染方面优于2D培养。Joshi A.S.等人（2024）在2D A549细胞和3D A549球体中使用生物源性银纳米颗粒（V-AgNPs），发现V-AgNPs在3天内将球体大小减少约28-40%，并在2D细胞和3D球体中触发线粒体去极化介导的凋亡，球体需要更高的有效剂量（LD50 13 μg/mL vs 2D中1 μg/mL）[71-73]。
**6.3 肺癌治疗中的协同效应**
三维（3D）生物打印和纳米技术的融合具有强烈的协同作用，在评估肺癌治疗选择方面具有重要意义。生物打印肿瘤模型提供了生物学相关的范式，其紧密类似于天然肿瘤结构，而纳米载体系统允许药物受控且有效地递送到打印结构中。这种组合方法允许正确研究纳米颗粒介导的药物渗透、受控释放行为和耐药机制。此外，生物打印纳米复合肿瘤模型可以提供测试组合治疗模式（如化疗、光热疗法和免疫疗法）的平台。总之，这些组合系统支持个体化纳米医学解决方案的开发以及临床前发现向临床肺癌管理的转化有效性[74,75]。
**6.3.1 当前临床转化和患者来源模型**
结合纳米医学的3D生物打印肺癌模型是精准肿瘤学中的新兴领域。常规临床实践中完全使用生物打印肿瘤模型还有很长的路要走，但使用患者来源的类器官（PDOs）、肿瘤类器官和仿生多细胞构建体作为个性化治疗评估的临床相关平台已经取得了有希望的进展。与传统2D培养相比，患者来源模型保留了原始肿瘤的组织病理学结构、基因组改变、肿瘤异质性和药物反应，因此对于预测患者特异性治疗反应具有重要价值。肺癌类器官已成功从手术标本、活检、胸腔积液和循环肿瘤细胞中产生，并可用于进行个性化药物筛选，即使在肿瘤组织可用性有限的情况下也是如此[76]。通过将患者来源的类器官与3D生物打印相结合，可以实现肿瘤细胞与基质成纤维细胞、内皮细胞、免疫细胞和细胞外基质（ECM）成分的空间组织，这进一步增加了这些模型的生理相关性。当类器官单独培养时，它们不能像生物打印构建体那样模拟氧梯度、细胞间相互作用、ECM结构和免疫信号。因此，这些混合平台提供了更好的系统来研究肿瘤如何进展、对治疗产生耐药、运输纳米颗粒以及在类似于天然肺肿瘤微环境的环境中响应靶向药物递送系统[77]。已有几种基于纳米颗粒的制剂被批准用于肺癌临床。纳米医学在肺癌中已经取得了成功的临床转化，有几种批准的基于纳米颗粒的制剂。其中一个重要的例子是白蛋白结合型紫杉醇（nab-紫杉醇）联合卡铂用于治疗晚期非小细胞肺癌（NSCLC），它促进药物进入肿瘤，同时最大限度地减少溶剂的毒性。正在探索的其他系统包括脂质体配方和脂质纳米颗粒，以改善肿瘤选择性药物沉积、增加循环时间并减少全身副作用。近年来，递送化疗药物、核酸和免疫调节剂组合的多功能纳米平台的概念已被纳入早期临床开发，并且由于对个性化和生物标志物驱动疗法的关注，这一概念正变得越来越重要[78]。使用患者来源的肺癌类器官在临床使用前测试靶向治疗、免疫检查点抑制剂、抗体-药物偶联物和纳米医学制剂的治疗效果正变得越来越普遍。药物反应模型已显示出与临床结局的良好相关性，使得有可能使用类器官选择药物以更好地分层治疗并避免不必要的毒性。此外，类器官与3D生物打印器官、器官芯片系统、人工智能（AI）和高内涵成像的结合正在增强这些模型在个体化治疗计划中的预测潜力[79]。尽管这些都是令人鼓舞的发展，但临床使用仍存在一些障碍。目前用生物墨水打印的肿瘤模型不具备完全功能的血管和淋巴网络，生物墨水配方未标准化，并且免疫细胞长期存活能力不足。此外，组织质量、生物制造程序和分析技术存在实验室间和患者间的变异性，这导致不同实验室的结果出现差异。在将这些技术常规用于精准肿瘤学工作流程之前，需要克服的其他挑战包括监管问题、大规模制造、质量保证和成本效益生产。未来的进展将通过标准化生物制造方案、符合良好生产规范（GMP）的制造、多中心验证研究和前瞻性临床试验来实现，评估基于患者来源的生物打印模型的治疗选择是否是一种改善患者结局的优越方法[77]。
**7. 3D生物打印和纳米技术用于肺癌的临床前和临床进展**
**7.1 临床前进展**
临床前研究表明，三维（3D）生物打印和纳米技术在肺癌建模和治疗评估中已有重要应用，可在生理相关条件下研究肿瘤生长、转移过程和治疗耐药。这些模型能够精确地空间定位恶性细胞、基质成分和细胞外基质成分，从而模拟天然肿瘤微环境的主要特征。同时，纳米技术的药物递送系统通过提高药物溶解度和稳定性以及靶向肿瘤，在临床前肺癌研究中显示出优异的抗癌性能。据报道，在临床前研究中，纳米颗粒负载的化疗药物比传统游离药物对应物表现出更高水平的肿瘤积累和更少的全身毒性。在3D生物打印肺癌模型中的应用纳米载体系统进一步提高了临床前药物筛选的预测准确性，因为它允许在体内研究之前使用3D生物打印模型对纳米颗粒渗透、受控药物释放行为和耐药性进行现实评估。此外，高度发达的临床前肿瘤芯片系统，结合了生物打印、纳米技术和微流控技术，使得能够在连续灌注条件下动态研究治疗反应，从而在受控和生理相关的环境中对治疗有效性有更深入的理解[80-82]。
**7.2 临床进展**
几种使用纳米技术的制剂已能够跨越临床前阶段进入肺癌治疗临床试验。以脂质体和纳米颗粒递送的化疗制剂在临床试验中显示出改善的药代动力学特征和更少的治疗相关毒性。此外，基于纳米颗粒的靶向疗法已通过增加肿瘤组织中的药物浓度，在晚期非小细胞肺癌患者中显示出临床疗效。一个临床验证的例子是白蛋白结合型紫杉醇纳米颗粒Abraxane，已获批与卡铂联合用于晚期NSCLC。与标准溶剂型紫杉醇相比，纳米颗粒白蛋白结合型紫杉醇在递送药物方面更有效，但不需要Cremophor EL，减少了某些超敏反应，同时仍显示出相当或更优的治疗效果。Socinski等人的SOCI-002关键III期试验显示，接受nab-紫杉醇加卡铂治疗的患者的总体反应率显著高于接受溶剂型紫杉醇加卡铂治疗的患者，这证实了基于纳米颗粒的药物递送在肺癌中的临床实用性[83]。基于可吸入纳米颗粒也已进入临床试验，可吸入药物递送提供了向呼吸道的局部药物递送，具有改善的患者依从性和减少的全身暴露。三维（3D）生物打印尚未成为肺癌临床管理的常规组成部分；然而，患者特异性生物打印肿瘤模型继续作为辅助临床决策的工具进行探索。这些定制介质在预测个体患者对基于纳米医学治疗的个人反应方面具有突出机会，从而促进精准肿瘤学方法。此外，纳米技术与更复杂的体外肿瘤模型相结合的持续临床和转化研究预计将改善定制肺癌治疗的临床实施时间线。然而，关于监管批准、可扩展性以及生物打印系统标准化的问题仍然对其广泛的临床使用构成重大障碍[84-86]。在过去几年中，药物再利用已成为解决NSCLC中靶向治疗获得性耐药的一种有吸引力的方法。例如，非索非那定已在具有EGFR突变的临床前NSCLC中显示出c-Met信号抑制和对奥希替尼的增敏作用，这意味着它可以与现有靶向药物联合使用以增强耐药疾病的治疗结果[87]。
**8. 挑战与限制**
**8.1 3D生物打印的技术挑战**
尽管取得了重大进展，但肺癌模型的3D生物打印仍面临若干技术限制。最大的问题之一是在保持细胞活力的同时达到高打印分辨率，特别是在构建肺组织中发现的复杂结构时。现有生物打印方法在精确重建复杂解剖组件（如肺泡系统、层次支气管系统和功能性血管系统）方面也显示出局限性。生物墨水开发带来了其他挑战，配方需要在可打印性、机械强度和生物学功能之间达到最佳比例。大多数现有生物墨水不具备长期生物力学行为的结构稳定性，或不能充分模拟天然肺细胞外基质的生化组成和机械强度。此外，生物打印构建体中缺乏血管化限制了有效的营养和氧气转移，从而降低了组织的长期存活能力和功能成熟[88,89]。
**8.2 纳米材料在肺癌治疗中的局限性**
基于纳米材料的药物递送系统具有许多阻碍其临床有效性的生物学和转化挑战。人类肺癌中肿瘤血管的异质性通常会阻碍增强渗透性和滞留（EPR）效应的功能，阻止纳米颗粒在肿瘤部位可靠定位。此外，随机生物分布、非计划脱靶定位和单核吞噬系统清除可极大阻碍治疗效力。另一个重要问题是纳米颗粒相关毒性，特别是无机和不可生物降解的纳米材料。关于纳米颗粒的持久性、积累和降解副产物的生物效应的广泛长期安全性信息仍然有限。此外，具有可重复理化特性和均一质量的纳米材料的密集形成提出了重大技术挑战，这使得纳米材料的商业化进一步难以将实验室研究转化为临床使用[90]。
**8.3 转化和临床限制**
将纳米材料引入生物打印肿瘤构建体带来了额外的技术复杂性。纳米颗粒可以改变生物墨水的流变性，影响交联动力学，并降低打印精度和结构保真度。在生物打印构建体中实现纳米颗粒的均匀分布也并非易事。此外，由于缺乏整合生物打印纳米技术平台的标准化方案，可重复性受到挑战，研究之间的有意义的比较仍然困难。关于如何评估纳米颗粒在三维生物打印肿瘤模型中的性能，尚未完全开发和确认标准，这为监管接受和转化开发增加了一个限制[91,92]。
**9. 未来前景与新兴趋势**
**9.1 AI辅助3D生物打印**
人工智能（AI）正在成为肺癌研究和治疗中三维（3D）生物打印技术发展领域内的颠覆性技术。通过使用机器学习算法精确计算生物打印过程的重要参数（喷嘴速度、挤出压力和生物墨水组成），可以提高打印保真度和细胞活力。AI图像分析可以用于实时监测生物打印构建体，早期识别结构缺陷并预测组织成熟度和功能性。AI辅助生物打印能够自动设计代表患者特异性肿瘤异质性的详细肿瘤结构，用于肺癌建模。此外，可以使用深度学习开发药物预测模型，通过将生物打印肿瘤模型中的反应与临床结局相匹配来加速药物筛选过程。AI在生物打印过程中的引入有望减少试错程序，增加可重复性，并大幅提高生物打印肺癌系统的转化相关性[93,94]。人工智能与多功能纳米医学的整合预计将加速合理纳米颗粒设计，优化治疗选择，并促进未来精准肿瘤学工作流程中的个性化癌症治疗诊断[95]。
**9.2 用于肺癌治疗的智能纳米材料**
智能纳米材料是肺癌纳米医学中最新兴的趋势之一。对酸性pH、不同氧化还原电位、酶过度表达或外部刺激（光和磁场）作出反应的刺激响应纳米颗粒可以在肿瘤微环境中实现位点特异性和受控药物递送。这种智能纳米载体系统正在改进以增加治疗效果并减少全身毒性。实现治疗、诊断和成像功能组合的多功能纳米材料，通常称为治疗诊断纳米颗粒，正因其能够帮助实时监测疾病进展及其治疗而越来越受欢迎。智能纳米材料能够动态响应肿瘤微环境以增强细胞摄取并超越多药耐药过程。未来的研究更多地导向可生物降解、生物相容和免疫调节纳米材料，以增强长期安全性并补充新兴的免疫治疗方法，从而提高肺癌治疗的精准性和个性化[96,97]。
**9.3 个性化和精准肿瘤学**
3D生物打印和纳米技术在肺癌治疗中最有希望的
