《Biomater. Sci.》：具有多功能和广泛生物学适用性的高通量 3D 生物打印癌细胞迁移和侵...

3D 生物打印为体外构建复杂组织提供了一种独特的方法，也已经有越来越多的共识赞同“3D 细胞模型”比“2D 细胞培养”更适合用于鉴定“破坏细胞迁移的新型抑制剂”。然而3D 生物打印细胞模型在生物应用中的应用还没有得到充分的探索。

因此，现在迫切需要开发体外三维肿瘤模型，来模拟生理上的细胞-细胞和细胞-细胞外间质相互作用。并且这种模型需要具有高重复性，并适合于高通量(HTTP)药物筛选。

基于此，来自澳大利亚新南威尔士大学的 J. Justin Gooding与儿童癌症研究所 Maria Kavallaris团队共同研发了具有多功能和广泛生物学适用性的高通量 3D 生物打印癌细胞迁移和侵袭模型。

该团队使用“按需定制生物打印平台”开发了一个 HTP 3D 生物打印转移模型。这种与可调节的水凝胶系统相结合的 HTTP 平台能够在体内肿瘤模拟基质内快速包封癌细胞，原位和实时地测量细胞运动，还能用于研究细胞迁移和侵袭机制的详细分子分析，以及鉴定新的药物治疗选择。

该团队已将相关研究结果以“A high-throughput 3D bioprinted cancer cell migration and invasion model with versatile and broad biological applicability”为题，于2022年9月23日发表在《Biomaterials Science》上。

1. 可调节水凝胶 HTP 生物打印平台的设计

该团队通过双液滴生物打印过程在多孔板中打印3D载细胞水凝胶构建体，其中先打印含有 PEG-4MAL 生物墨水的第一液滴，然后打印将含有与癌细胞混合的双硫醇激活剂的第二液滴。当两个液滴相遇时，立即形成水凝胶，这使得3D 细胞模型在多孔板中快速生成。该过程促进了简单和高度可重现的3D 癌症模型的产生，以便以 HTTP 方式研究 ECM 环境中的细胞运动。

HTTP 生物打印平台可以以高精度和重复性将细胞打印和包封在3D 水凝胶中，以快速，高度可重复性和较少劳动密集的方式在多孔板中产生各种载细胞的 ECM 结构，为传统的手动移液提供了更好的替代方法。

图1 使用可调节水凝胶系统的3D HTP 生物打印平台(A)生物打印过程示意图

为了验证三维生物打印水凝胶的细胞相容性，该研究选择4种具有不同迁移和侵袭特性的上皮癌细胞系和4种水凝胶组合来证明肿瘤样微环境的机械(硬度)和生物分子(细胞粘附肽)对细胞反应(生长和迁移)的影响。结果显示，生物打印的 PEG-4MAL 水凝胶系统具有高度的细胞相容性，并且每种癌细胞类型的生长都需要不同的基质成分。

图2 三维生物打印水凝胶的细胞相容性

接下来，该研究团队通过调节水凝胶刚度和/或粘附肽来确定基质条件对细胞形态的影响。与细胞被包裹在基质胶3D 细胞形态学的对比显示，基质的力学、生物学特性和成分，如细胞粘附分子，可以改变生长在水凝胶上的细胞的形态。

图3 Matrigel 三维生物打印水凝胶中的癌细胞形态

2. 生物打印平台用于作研究癌细胞迁移和侵袭的潜力

该研究团队证明了这个平台用于分析表型标志物相关的细胞迁移和侵袭的三维癌症模型的适用性。

水凝胶包埋细胞中迁移和侵袭相关蛋白的定性和定量表达结果显示，各细胞系的基因蛋白表达与其特征一致，侵袭性癌细胞在生物打印的四种水凝胶中的任何一种中均保留了它们的间充质特性，这意味着PEG-4MAL 水凝胶系统这种3D 生物打印平台可以是一种简单和通用的方法，常规用于分子和原位分析以研究癌细胞迁移和侵袭。

图4 利用3D 生物打印平台原位免疫荧光图像对表型标记物进行原位显微和分子分析

随后，该团队还评估了该水凝胶系统实时跟踪细胞运动的作用，来评估水凝胶对迁移特性的影响。结果表明，水凝胶的机械特性可以影响细胞迁移行为，如水凝胶刚度增加，乳腺癌细胞迁移表现出更明显的迁移行为。

图5 使用 HTP 3D 生物打印平台实时跟踪癌细胞的迁移行为

3. 3D生物打印细胞作为药理学抑制迁移和侵袭的筛选平台

3D 生物打印平台也可以作为抗转移药物测试的临床前模型。该研究测试了两种已知的细胞迁移药理学抑制剂 Y-27632(一种 ROCK 抑制剂)和 blebbistatin (一种全球肌球蛋白抑制剂)对其中一种水凝胶1.1 kPa + RGD 内的细胞迁移行为的影响，并证实可以使用该平台有效地监测和定量。该研究进一步提高了 HTTP 生物印迹平台的生物学适用性，不仅可以用于药物筛选，还可以进行原位和详细的分子分析以及实时细胞迁移跟踪。此外，通过利用该平台中使用的蛋白水解可降解水凝胶系统，可以使用回收的细胞进行下游分子分析，以更好地理解新药或抑制剂的作用机制。

这意味着3D 生物打印平台不仅可以准确地测量3D 基质中的细胞迁移行为，而且还可以作为一个 HTP 临床前抗转移药物测试平台。

图6 在不存在或存在抑制剂的情况下，使用 MDA-MB-231(A)和 H1299(B)细胞的3D 生物打印平台3D 细胞运动筛选细胞运动的化学抑制剂进行比较和定量

这项工作表明，这个 HTP 3D 生物打印细胞迁移平台在定量细胞和癌症生物学以及药物筛选方面有广泛的应用，与用于多功能生物应用的现有方法相比，具有几个显著的优势：

首先，3D 生物打印平台使多孔板打印自动化，从而以简单、可重复、可行和 HTTP 方式促进3D 癌细胞模型的生成。其次，HTP 3D 平台可以在原位显示转移标志物，同时检测细胞运动和抑制剂的作用。不仅如此，生物打印平台中使用的水凝胶系统的微调性有助于识别细胞类型特定的基质条件。最后，具有蛋白水解分解位点的生物打印水凝胶的设计使得能够从水凝胶中回收细胞用于生物打印后的下游分子分析。

因此，这种结合快速 HTP 生物打印平台及其生物应用的方法为更好地理解细胞迁移和侵袭过程以及鉴定新型抗转移药物提供了重要的潜力。

文章来源：

https://pubs./en/content/articlelanding/2022/bm/d2bm00651k