新型 3D 模型助力科学家揭开癌细胞真面目

科学家开发了一个面向患者的模型，使用这个模型可以更好地理解并最终终止癌细胞的迁移。

以前，传统的癌细胞研究只能在皮氏培养皿和显微镜载玻片中进行。而现在，研究人员开发了一个新的三维模型，这个模型可模拟更为接近于人体的环境，从而分析癌细胞的复杂性。每天，人体内会产生约1000亿个新细胞。这些新细胞与数以万亿计之前产生的细胞一起形成了我们赖以生存的组织和器官。有时，在细胞产生的过程中，其DNA发生突变，使得细胞存在缺陷并可能会对人体内部环境产生潜在危险。通常情况下，细胞会识别自身的缺陷并很快自行终止。

　　但有时候，突变的细胞非但没有自行消除，反而不断复制，从而形成可以分裂、转移(即迁移)并侵入身体其他部分的肿瘤，这种侵入通常是通过血流完成。幸运的是，卡内基梅隆大学机械工程菲利普·勒迪克(Philip LeDuc)教授和博士生詹姆斯·李·万(James Li Wan)及匹兹堡大学乳腺癌研究员卡罗拉·诺伊曼博士(Dr. Carola Neumann)合作，开发了一个面向患者的模型。科学家可以使用这个模型更好地理解并最终终止癌细胞的迁移。该研究组的研究论文发表在《Scientific Reports》，题为“通过微铣技术在芯片方法中模拟三维癌症的嵌入式脉管系统结构(Mimicking Embedded Vasculature Structure for 3-D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling)”。据勒迪克介绍，这个项目的起因是研究人员对物理科学与癌症之间的关系越来越感兴趣。肿瘤实际上就是体内肿块，生化和物理手段都可以对其和癌细胞产生影响。而考虑到这两种手段之间的关系，勒迪克、诺伊曼和万开始关注癌细胞的转移和分析。通过合作，他们能够开发出一种更精确、更相关的研究癌细胞的方法。

　　不同于传统上在塑料培养皿中进行的癌细胞分析，研究小组建立了一个能更精确地反映生物体生理条件的三维模型。借助这个模型，科学家们可以在与人体更加相似的环境中发现并分析癌细胞的复杂性。“几十年来，生物学研究都在皮氏培养皿中进行，”勒迪克说，“但问题是，能制造出更有生理学意义的系统吗?我们使用微流体和微制造方法来创建三维系统，这是因为细胞存在于三维组织中，在自然条件下，它们是不会驻留在二维培养皿中的。”

　　一般来说，所谓微流体系统就是在微观水平上传输液体的系统，通常由塑料制成。但是勒迪克、诺伊曼和万想要建立一个更具生理学意义的系统，他们使用了人体内最主要的蛋白质——胶原蛋白来构建他们的微流体系统。“正如菲利普所说，过去我们用塑料培养细胞，用皮氏培养皿研究。”匹兹堡大学药理学和化学生物学副教授诺伊曼说。“但是，人体内是没有任何塑料的。拥有一个模仿生理条件的三维系统更好，能获得更快、更相关的结果。”每个该团队构建的微流体装置包含两个关键组件：模拟传统血管的平行通道和嵌入胶原中的癌细胞浓度集合。

　　一旦装置设立成功，通道就会被注入能扩散到周围胶原蛋白的化学刺激剂。随着兴奋剂分子远离通道，产生生物分子梯度。这种梯度能促使嵌入的癌细胞移动，而这种移动往往是向着模拟血管通道的。就病人来说，如果癌细胞进入血液，它们就会转移，并可能形成继发性癌肿瘤。据勒迪克和诺伊曼称，大多数实体瘤患者通常死于肿瘤转移，而非原发性肿瘤本身。这就是为什么科学家首先要弄清楚如何阻止癌细胞发生转移。癌细胞的转移具有从原发肿瘤转移到血液或淋巴系统的能力—— 这一过程需要癌细胞迁移并重塑肿瘤组织以侵入身体的其他部位。所以，为了阻止其转移，科学家需要了解哪些因素能够支持癌细胞的移动和组织重塑。这也就解释了为何勒迪克、诺伊曼和万开发的这个三维系统如此重要。

　　“癌症是一种极其异质性的疾病。这就意味着不仅每个患者的癌细胞各不相同，甚至在一个肿瘤内，癌细胞也有所不同。”诺伊曼说。“转移也是如此。根据它们在身体中的位置，每个继发性肿瘤也不相同。”勒迪克、诺伊曼和万相信，研究人员最终会使用他们的系统来检查每个患者的肿瘤以确定每位患者的最佳治疗方法。这个过程最终将有助于使癌症治疗更加个性化和有效。“我们的模型可以作为某个特定患者的模型，”万说。他组织完成了实验室实验并分析了研究结果。“这非常重要，正是由于每个病人的癌症各不相同，才使得它很难治愈。”理想的话，这个由勒迪克，诺伊曼和万开发的三维系统将为研究人员和科学家提供所需工具，以阻止患者癌细胞的转移。

　　“如果至始至终，肿瘤只能呆在原位，什么都不能做。这样对病人来说还好。”勒迪克说，“但是一旦它发生转移，一切失控了。我们希望我们的系统能对终止癌细胞转移有所帮助，并且从长远来看，希望它能改善病人的治疗效果。