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吉林大學(xué)李云峰教授課題組Adv. Healthc. Mater. 綜述：用于原代腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)的水凝膠現(xiàn)狀與展望
2022-03-08  來(lái)源：高分子科技

  近日，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李云峰教授課題組在《Advanced Healthcare Materials》期刊上發(fā)表了題為“Instructive hydrogels for primary tumor cell culture: current status and outlook”的綜述文章。該工作系統(tǒng)總結(jié)了利用水凝膠體外培養(yǎng)患者來(lái)源腫瘤細(xì)胞和構(gòu)建原代腫瘤類(lèi)器官（Primary tumor organoid，PTO）的最新研究進(jìn)展。他們總結(jié)了這些水凝膠的種類(lèi)、優(yōu)缺點(diǎn)，展望了水凝膠的創(chuàng)新發(fā)展方向，為探索新型水凝膠提供了有啟發(fā)性的指導(dǎo)。作者從如何獲得和分離腫瘤細(xì)胞進(jìn)行原代培養(yǎng)的策略開(kāi)始，詳細(xì)討論了體內(nèi)腫瘤微環(huán)境以及原代腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)水凝膠的要求。接下來(lái)，作者總結(jié)了用于PTO培養(yǎng)的天然及合成水凝膠和在微尺度水凝膠中生長(zhǎng)PTO的新興技術(shù)，并回顧了PTO在生物庫(kù)和藥物篩選等方面的應(yīng)用。最后，作者詳細(xì)論述了利用合成聚合物水凝膠在PTO發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)研究方向，并對(duì)PTO在個(gè)性化治療和精確癌癥醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用進(jìn)行了展望。


  水凝膠是一種親水性聚合物的三維網(wǎng)絡(luò)，其作為一種仿生細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），可以滿足腫瘤細(xì)胞體外生長(zhǎng)的基本要求。首先，水凝膠提供了一種類(lèi)似于ECM的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)支持三維細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞分化。其次，水凝膠作為水、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞因子的儲(chǔ)存庫(kù)，維持著水平衡和細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，并調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)。此外，通過(guò)使用天然ECM分子或經(jīng)細(xì)胞粘附受體修飾的合成材料，水凝膠可以為體外細(xì)胞生長(zhǎng)提供廣泛的生物化學(xué)和生物物理學(xué)性質(zhì)，這使得水凝膠特別適合于具有挑戰(zhàn)性的原代癌細(xì)胞體外培養(yǎng)。根據(jù)起始材料的來(lái)源，目前用于培養(yǎng)PTO的水凝膠可分為天然水凝膠和合成水凝膠。多種組織工程水凝膠彌補(bǔ)了2D細(xì)胞培養(yǎng)與體內(nèi)生理環(huán)境之間的差距，利用水凝膠構(gòu)建PTO將是癌癥研究的一個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域，目前仍處于起步階段。


 

圖1. 使用水凝膠培養(yǎng)PTO的過(guò)程。


  該過(guò)程主要包括四個(gè)連續(xù)步驟：1）從患者身上切除腫瘤組織；2）將腫瘤組織切成細(xì)小碎片；3）將組織樣本消化成單個(gè)細(xì)胞；4）將原代腫瘤細(xì)胞包埋在水凝膠中。

 

  基于ECM蛋白質(zhì)的水凝膠，如Matrigel、膠原蛋白、明膠和纖維蛋白通常被用作3D細(xì)胞支架，以支持原發(fā)癌細(xì)胞的體外生長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈儗?duì)細(xì)胞生長(zhǎng)具有有益的生物化學(xué)和生物物理性質(zhì)。多糖水凝膠如透明質(zhì)酸（HA）或海藻酸等具有良好的生物相容性和可控的力學(xué)性能，可作為三維細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程的仿生ECM。例如，使用Matrigel從155個(gè)乳腺癌患者組織中建立了95個(gè)長(zhǎng)期擴(kuò)增的PTO，與原始乳腺癌組織相比，PTO顯示出相似的ER，PR和HER2表達(dá)。苯酚基團(tuán)修飾的明膠交聯(lián)水凝膠用于在體外培養(yǎng)患者來(lái)源的結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞，其對(duì)于PTO的培養(yǎng)效果與商品化Geltrex相當(dāng)。海藻酸鹽-明膠水凝膠用于生物打印非小細(xì)胞肺癌和成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)的PTO。

 

圖2. PTO在天然水凝膠中的生長(zhǎng)a）Matrigel培養(yǎng)的PTO顯示與原始組織相似的標(biāo)志物表達(dá)；b-c）明膠/HA復(fù)合水凝膠中PTO的生長(zhǎng)；d）在海藻酸-明膠水凝膠中培養(yǎng)PTO。

 

  盡管天然水凝膠為原發(fā)性腫瘤細(xì)胞的體外生長(zhǎng)提供了廣泛的支持，但其不可控的降解、批次之間的差異阻礙了研究結(jié)果的可重復(fù)性。相比之下，合成水凝膠通常具有可控的力學(xué)性能、合適的細(xì)胞粘附配體和可控的生物降解特性，這可以克服天然水凝膠的缺點(diǎn)。目前使用合成水凝膠培養(yǎng)PTO的研究較少，多以PEG基水凝膠為主。例如：最近報(bào)道了一種全合成PEG水凝膠，由八臂PEG和三種粘附肽制備，通過(guò)對(duì)基質(zhì)金屬蛋白酶敏感的肽交聯(lián)。原發(fā)性胰腺腫瘤細(xì)胞在該PEG水凝膠中培養(yǎng)4-12天后發(fā)育成成熟的類(lèi)器官，并且具有與在Matrigel中培養(yǎng)的相似形態(tài)。此外，PEG-HA水凝膠已被用于支持前列腺癌細(xì)胞生長(zhǎng)為PTO，這些PTO在形態(tài)和藥物反應(yīng)方面與原發(fā)腫瘤組織相似。另一種合成水凝膠通過(guò)PEG-MAL和硫醇化HA的邁克爾加成進(jìn)行交聯(lián)。由于豐富的HA含量模擬了腦組織的特征，因此這種水凝膠已被用于從患者來(lái)源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中制造耐藥性PTO。


 

圖3. 合成水凝膠中的PTO生長(zhǎng)a-b） 八臂PEG水凝膠用于PTO封裝及生長(zhǎng)；c） HA/PEG水凝膠中PTO生長(zhǎng)；d） 在PEG水凝膠中添加HA和RGD肽增強(qiáng)PTO中CD44和整合素αV的共表達(dá)。

 

  通過(guò)水凝膠和微加工技術(shù)的協(xié)同作用，最近在微型水凝膠中生長(zhǎng)原發(fā)性腫瘤細(xì)胞開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的體外PTO模型。與宏觀水凝膠中的PTO相比，微觀水凝膠中的PTO具有明顯的優(yōu)勢(shì)：1）高度可控的PTO尺寸，尺寸分布相對(duì)較窄；2）可靠的結(jié)果，具有較高的再現(xiàn)性；3）使用小樣本進(jìn)行高通量研究的能力，這對(duì)于從癌癥患者的活檢中構(gòu)建PTO具有重要意義；4）將PTO與微流控設(shè)備集成，構(gòu)建PTO-on-a-chip模型，以高通量方式實(shí)現(xiàn)癌癥的基礎(chǔ)研究和生理流動(dòng)條件下抗癌藥物的篩選。


 

圖4. 構(gòu)建PTO的代表性微加工技術(shù)a-c） 用于生長(zhǎng)微型PTO的芯片；d-f） 自動(dòng)化微流控高通量PTO培養(yǎng)平臺(tái)；g-h） 3D打印PTO平臺(tái)。

 

  PTO再現(xiàn)了天然腫瘤組織的許多病理和結(jié)構(gòu)特征，并保留基因組突變特征。因此，這些PTO被認(rèn)為是癌癥生物學(xué)基礎(chǔ)研究、生物庫(kù)建設(shè)和藥物篩選等領(lǐng)域的“微腫瘤”。大型PTO樣本庫(kù)的建立便于研究腫瘤發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制，探索其行為，或研究機(jī)體其他細(xì)胞對(duì)腫瘤進(jìn)展的貢獻(xiàn)。PTO在對(duì)藥物的敏感性上與患者相似，可以用于臨床篩選潛在有效的治療方法。

 

圖5. 體外PTO模型在基礎(chǔ)和臨床研究中的新興應(yīng)用

a）建立乳腺癌PTO生物庫(kù)；b）PTO還原原始腫瘤組織的突變特征；c) I型膠原水凝膠用來(lái)研究PTO侵襲行為；d）與成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)促進(jìn)了PTO的生長(zhǎng)和抗藥性；e）PTO可以用來(lái)預(yù)測(cè)患者藥物反應(yīng)。

 

  總結(jié)：用于原代腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)的水凝膠具有重要意義，它不僅可以作為研究人員選擇合適的用于原代腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)水凝膠的指南，此外它也啟發(fā)了立志于為新型水凝膠開(kāi)發(fā)，尤其是合成聚合物水凝膠的開(kāi)發(fā)做出貢獻(xiàn)的高分子科學(xué)家、材料科學(xué)家和生物醫(yī)學(xué)研究人員，以實(shí)現(xiàn)癌癥研究的宏偉藍(lán)圖：復(fù)制體內(nèi)腫瘤特征的體外腫瘤模型的快速、高質(zhì)量構(gòu)建。近年來(lái)，吉林大學(xué)李云峰教授課題組在開(kāi)發(fā)生物相容、尤其是具有支持原代腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)潛力的新型水凝膠方面做出一些工作（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56,6083-6087；Science Advances 2018,4, eaas8998，Biomacromolecules 2021, 22, 419?429； Nano Today 2021，39，101180）。基于此，團(tuán)隊(duì)綜述了用于PTO體外生長(zhǎng)的三維仿生水凝膠的最新進(jìn)展，并對(duì)目前該領(lǐng)域所面臨的困境給予了科學(xué)合理的建議和展望：

  1. 天然水凝膠具有不可控降解，批次間變化等缺點(diǎn)，因此開(kāi)發(fā)能夠支持PTO生長(zhǎng)的合成水凝膠十分重要。合成水凝膠應(yīng)該盡量降低成本，并且使用簡(jiǎn)便。

  2. 為準(zhǔn)確地重建具有組成和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)復(fù)雜性的腫瘤ECM，應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)具有刺激響應(yīng)特性的新型動(dòng)態(tài)水凝膠；而具有各向同性和各向異性特征之間可逆轉(zhuǎn)變的智能水凝膠將推進(jìn)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的研究。

  3. PTO追蹤的成像和分析技術(shù)應(yīng)得到提升，以便監(jiān)測(cè)3D水凝膠中PTO生長(zhǎng)或遷移的行為。

  吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院李云峰教授及吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院張松靈教授為該文章的共同通訊作者，團(tuán)隊(duì)博士后賈一揚(yáng)及吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院魏振彤副教授為該文章共同第一作者。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202102479

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