利用Biofluidix喷墨打印技术构建双细胞肿瘤球模型

近年来，3D肿瘤模型已成为癌症生物学、药物开发和医学研究的新工具。常见的3D肿瘤模型包括肿瘤球、类器官、微流体装置等。肿瘤球和类器官是最常用的两种模型，基于不同的细胞来源和制备方案，模拟肿瘤微环境如结构组织、细胞分层、营养和氧气梯度等特征。然而，这些方法仍存在不足，比如构建初期的肿瘤模型，其细胞密度明显低于天然组织，无法真实模拟肿瘤细胞与基质细胞的相互作用；多需要等待几天甚至几周，后期模型的细胞密度才能与天然组织相当，增加了研究周期。

美国印第安纳州的西拉斐特普渡大学机械工程学院于2023年在《Materials Today Advances》发表该文章，研究开发了一种新的3D肿瘤模型构建方法。利用该方法能够快速制备3D肿瘤模型，细胞密度和生理特性与自然组织类似，同时还可调整墨水成分及打印条件构建不同类型的肿瘤模型。

实验方法：

• 1.墨水制备

将肿瘤细胞与一种含有I 型大鼠尾胶原蛋白和聚（N-异丙基丙烯酰胺-共甲基丙烯酸甲酯）的互渗透聚合物油墨混合，构成含有肿瘤细胞的墨水。再将肿瘤基质组织最主要成分的癌症相关成纤维细胞（ cancer-associated fibroblasts ，CAFs）用同样方法制成含有CAFs的墨水。

• 2.喷墨打印

德国Biofluidix公司的纳升级压电式点样器Pipejet安装在载物台控制器上，将上述两种墨水用Pipejet点样器以线阵列的方式点印在玻璃孔板中并在37℃固化。固化完成后加入细胞培养基进行培养。（图1）

图1 喷墨打印过程的示意图以及组织压缩应力假设机理

• 3.组织学观察

取不同时间点的肿瘤模型做免疫荧光染色，通过共聚焦显微镜观察不同时间点肿瘤模型的变化。

实验结果

• 常规肿瘤球形成验证

已有研究表明，相比于肿瘤细胞，CAF细胞的收缩性更强，因此预期加入培养基后，CAF细胞将收缩得更为紧密，而肿瘤细胞包裹在其周围。最终形成基质细胞在内、肿瘤细胞在外侧的结构（图1）。

在实际实验中，如预期所示，随着时间变化，逐渐形成CAF细胞为致密核心，肿瘤细胞将其完全包裹的肿瘤球（图2，A），且在接下来两个月内持续稳定存在（图2，D）。

图2 喷墨打印快速形成肿瘤球

（A）主动收缩，0–24 小时延时图像（红色通道：肿瘤细胞，绿色通道：CAF细胞）;（B）量化体积应变;（C）细胞密度和胶原浓度的定量;（D）肿瘤球在1天-2个月不同时期的明场和荧光图像（比例尺：500μm）。

通过分析延时图像中细胞占用的面积，可以计算出肿瘤球的体积以及响应的细胞密度（图2 ，B-C）。结果显示，在培养24小时后，3D 类肿瘤细胞密度已达到 10⁸个细胞每平方厘米，接近天然组织中肿瘤的细胞密度。说明这种方法可以快速形成类似天然组织细胞密度的肿瘤球。

• 其他类型肿瘤球形成验证

在上述实验基础上，作者改变打印方式、调整打印温度等，又成功构建了具有3D腔体形状的肿瘤球，以及肿瘤细胞在内侧、CAF细胞在外侧的肿瘤球。

实验结论

利用Pipejet喷墨打印方法制备的肿瘤球，可在短时间内形成类似天然组织的细胞密度，大大提升实验效率，还可推广到其他不同类型的细胞和肿瘤球模型，有广泛的应用空间。

更多资讯请访问文献全文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2023.100408

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