生物3D打印肿瘤阵列芯片用于药物筛选
90 Bioprinting of novel 3D tumor array chip for drug screening.pdf
【背景】与外科手术途径和放疗途径一起，化疗途径已成为治疗肿瘤的三种最有效方法之一。每年都会有成千上万种抗肿瘤药物被发现并研究。这给当前的抗肿瘤药物筛选技术带来了巨大的挑战。在用于药物筛选的肿瘤模型方面，有两个令人关注的关键要求：（1）与体内相似的肿瘤形态和微环境；（2）精确且大通量构建肿瘤模型的制造方法。关于要求（1），目前大多数药物筛选方案仍基于肿瘤细胞的二维（2D）培养，无法模拟体内的三维（3D）肿瘤形态，因此药物在后续的临床测试中成功率较低。最近，随着微包裹技术的发展，已经开发了基于水凝胶的体外3D肿瘤模型，为抗肿瘤药物筛选提供了良好的基础。3D微环境再现了细胞外基质的理化特性和外层细胞对药物分子扩散的阻碍作用。此外，体外3D微环境可以模拟体内条件，其中肿瘤细胞受到周围细胞及细胞外基质的严格调控。这些特性极大地提高了肿瘤模型的准确性和药物评估结果的可靠性。生物医学领域一直在寻求一种基于3D肿瘤模型阵列的可行的标准药物筛选系统，因为它可以提供足够的肿瘤样本并模拟了体内肿瘤生长情况，但目前精确高效地构建3D肿瘤阵列仍然是一个挑战。
【摘要】本文提出了一种 “夹层蛋糕”结构的3D肿瘤阵列芯片。含有肿瘤细胞的体积精确的GelMA水凝胶液滴（近0.1μL）可以通过生物3D打印自动按需沉积。透明导电膜作为芯片基底，以防止在制造过程中积累电荷并在筛选过程中方便观察。由不锈钢和硅胶中间层形成的培养室便于组装和回收。由于该芯片与现有的96孔培养板兼容，因此药物筛选方案可以与常规的检测方法保持一致。文中详细探讨了该芯片的几个重要特性，即打印稳定性，可定制性，准确性，合适的微环境，肿瘤功能化。作为演示，文中开展了表阿霉素和紫杉醇两种药物对乳腺癌细胞的药效的筛选流程，以确定该筛选系统与传统筛选系统的兼容性。
近期发表在Bio-Design and Manufacturing杂志上题为“Bioprinting of novel 3D tumor array chip for drug screening”，来自浙江大学的贺永团队提出了一种新型体外肿瘤筛药系统，有望成为药物筛选领域内的新途径。在这项研究中，提出了一种构建具有“夹层蛋糕”结构的体外3D肿瘤阵列芯片（3D-TAC）的新型筛药系统。由不锈钢和硅胶中间层形成的培养室便于组装和回收。混合肿瘤细胞的GelMA微液滴由高压电场产生，通过上位机更改路线和持续时间程序，可以轻松控制阵列内的模型分布、大小和细胞数量。这种策略引入了普通且廉价的透明导电膜，当带有电荷的GelMA微滴落在其上时，液滴中的电荷可直接导出，避免电荷积聚和液滴相互排斥。此外，透明的属性便于执行一系列药物测试项目。
为了证明该策略的可行性，本文详细评估了该筛药系统的三个主要因素，即液滴的产生过程、按需精确构建肿瘤阵列、提供合适的细胞微环境（包含肿瘤细胞功能化）。值得一提的是，包裹的MDA-MB-231乳腺癌细胞在3D微环境中表现出必要的肿瘤特征，例如基本存活、伸展，迁移和不同的细胞周期。作为演示，我们将该新型系统引入了实际的药物筛选过程中，以获得表阿霉素和紫杉醇的全方位药物效果评估，旨在证明所提出的药物筛选系统与传统的筛选方法的兼容性，包括共聚焦荧光显微镜（LSCFM）观察（活/死试验，肿瘤F-肌动蛋白形态）、酶联免疫吸附测定（ELISA）检查、NAD +增殖分析，半数最大抑制浓度（IC50）、血管内皮生长因子（VEGF）累积表达量，流式细胞术（FCM）分析细胞凋亡阶段等。该策略可在药物筛选中发挥重要作用，并有助于提高肿瘤化学疗法和其他生物医学应用领域。
Fig. 1. “夹层蛋糕”式3D肿瘤阵列筛药系统原理图
Fig. 2. 微液滴形成过程研究及芯片的可靠性评估
Fig.4. 乳腺癌细胞在构建的微阵列中的生长情况
Fig.5.表阿霉素及紫杉醇对乳腺癌细胞的药效测试（一）
Fig.6. 表阿霉素及紫杉醇对乳腺癌细胞的药效测试（二）
论文信息：一作为谢明君博士，通讯作者为傅建中教授和贺永教授。
论文地址： https://doi.org/10.1007/s42242-020-00078-4
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