《Nat. Rev. Mater.》综述：基于生物材料的肿瘤组织工程平台

组织工程为癌症研究提供了创新工具。基于分子设计的生物材料的3D癌症模型旨在利用肿瘤组织的维度以及生物力学和生化特性。然而，迄今为止，尽管细胞外基质在癌症中起着关键作用，但只有少数3D癌症模型建立在基于生物材料的基质上。避免这一关键设计特征的主要原因是难以重现肿瘤微环境的固有复杂性以及实用分析和验证技术的可用性有限。在超分子化学、材料科学和肿瘤生物学界面上出现的最新进展正在产生新的方法来克服这些界限，并能够设计生理相关的3D模型。

近日，来自澳大利亚蒙纳士大学的Alvaro Mata & Daniela Loessner团队讨论了如何将这些3D系统应用于解构和设计肿瘤微环境，为模拟原发性肿瘤，转移和对抗癌治疗的反应提供了机会。相关论文“Biomaterial-based platforms for tumour tissue engineering”于2023年2月14日在线发表于杂志《Nature Reviews Materials》上。

在肿瘤组织工程中，生物材料是构建能够模拟实体肿瘤组织维度、组织和功能的三维癌症模型的关键成分。基于合成聚合物、生物聚合物和肽等构建块的各种水凝胶和支架材料用于组织工程和再生医学应用，并用作3D癌症模型的基础基质。新的工程方法能够合理设计具有多种结构和信号成分的水凝胶和支架材料，以更准确地再现肿瘤微环境（TME）的异质性。作者首先介绍了肿瘤生物学中的关键参数（癌相关成纤维细胞（CAF）、免疫细胞、内皮细胞、脂肪细胞、ECM蛋白和可溶性分子（如细胞因子、趋化因子或生长因子）），并介绍了用于模拟肿瘤组织的细胞组成和ECM的现有工具（图1）。

 

图1 肿瘤组织工程的概念

整合多种细胞类型来概括TME的细胞异质性对于构建肿瘤工程模型至关重要，肿瘤组织工程的最新技术使科学家能够重建TME，以模拟发生在原发肿瘤和转移灶内的特定事件，并支持开发更有效的治疗方法（图2）。

使用组织模型重建原发肿瘤生态位需要重建肿瘤组织的细胞和细胞外元素。组织工程方法通过结合水凝胶基质和支持原发肿瘤部位细胞-细胞和细胞-基质相互作用的多细胞3D培养物，帮助模拟这些生物力学、生物化学和生理学财产。作者讨论了当代肿瘤工程模型，并总结了原发肿瘤和转移灶模型的进展。

 

图2 应用肿瘤工程模型研究原发性肿瘤、转移和抗癌治疗

转移是一个多步骤的过程，其中细胞从原发肿瘤迁移，侵入邻近组织，侵入血管，存活直到到达远处的器官并定植新的器官。细胞启动二次肿瘤的小生境提供了基质信号，这些信号对这种扩张过程至关重要。由于90%以上的患者死于转移性病变，目前已经做出了巨大的努力来模拟转移前和转移灶。为了模拟这一过程，使用了结合微流体平台和高通量技术的生物材料（图3）。

 

图3 生物工程转移前和转移灶

肿瘤工程模型使癌症细胞能够生长、迁移和侵袭，以及研究药物反应。在癌症组织工程中，还采取措施整合肿瘤-基质相互作用和TME的其他元素。为了有效地代表由特定组织TME4包围的特定癌症类型，利用了一些策略，如设计具有可修改的机械财产的生物材料基质（图4）。此外，使用其他学科的当代组学方法可以改善癌症患者的治疗和临床结果。

 

图4 组织工程与肿瘤生物学的融合

最后，作者介绍了使用这些组织模型方法测试新治疗方法的挑战和机遇，以及对基于生物材料的平台未来应用的展望。当前3D癌症模型的一个主要挑战是，用于研究转移定植过程和复杂性的平台目前大多是微加工的或基于微流体的。这限制了不熟悉这些技术和大规模长期3D研究性能的研究人员的可访问性。另一个限制是设计逼真或生理相关的3D癌症模型的复杂性以及相关的分析困难。多种细胞凋亡和生物材料的加入使单个细胞类型和TME成分的行为和功能的测定变得复杂。降解或分离水凝胶和支架以进行细胞恢复和分离的技术，同时限制细胞损失，目前正在完善中。需要进行多层次的生物学分析，以确定细胞对模型参数、TME因素和药物治疗的变化的反应。

文章来源：EngineeringForLife

https://doi.org/10.1038/s41578-023-00535-3