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聲學虛擬三維支架構建直接相互作用的腫瘤類器官-免疫共培養(yǎng)系統(tǒng)

更新時間:2025-03-07點擊次數(shù):135

三維(3D)細胞培養(yǎng)技術通過模擬體內(nèi)環(huán)境,顯著推動了生命科學及組織工程的研究進程?。腫瘤類器官是由腫瘤細胞自組織形成的三維結構,因其在形態(tài)、遺傳及功能層面高度保留原發(fā)腫瘤特性,已成為藥物開發(fā)中具有潛力的臨床前模型。為提升腫瘤微環(huán)境模擬的真實性,科研人員構建了類器官與免疫細胞(如T細胞)的共培養(yǎng)體系,以更精準地評估化療、靶向治療及免疫療法的體外藥效。在此體系中,T細胞的活化狀態(tài)是解析腫瘤免疫微環(huán)境響應機制的核心指標?。然而,傳統(tǒng)三維培養(yǎng)體系(如Matrigel、液滴法)雖能提供結構支撐,卻因物理阻隔抑制了腫瘤細胞與免疫細胞(如T細胞)的直接互作。值得注意的是,細胞對機械刺激的反應是決定細胞命運的關鍵因素。例如,基質(zhì)材料的硬度通過機械敏感的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子影響3D類器官培養(yǎng)中的細胞增殖和分化。此外,超聲波是一種機械波,能夠非接觸地操控細胞并施加力學刺激,這也說明,超聲技術有望替代傳統(tǒng)的3D生物支架材料,通過力學刺激的形式促進腫瘤類器官的形成。




近期,中南大學的陳翔教授、陳澤宇教授和西安電子科技大學的費春龍教授團隊《Science Advances》(IF=11.7)期刊上在線發(fā)表題為“Acoustic virtual 3D scaffold for direct-interacting tumororganoid–immune cell coculture systems"的原創(chuàng)性論著。該研究通過聲學虛擬3D支架(AV-Scaf)技術實現(xiàn)了腫瘤類器官的無基質(zhì)膠培養(yǎng),并進一步構建了腫瘤類器官-T細胞共培養(yǎng)系統(tǒng)。該文章為實現(xiàn)無基質(zhì)膠的腫瘤類器官培養(yǎng)以及構建高效的腫瘤類器官免疫共培養(yǎng)系統(tǒng)提供了全新的思路和方法。


 


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首先,作者通過超聲換能器和透鏡產(chǎn)生聚焦聲渦旋,實現(xiàn)了腫瘤細胞在焦平面內(nèi)的聚集(圖1)。設計的渦旋聚焦聲場將腫瘤細胞聚集成適當大小的細胞簇,同時施加非接觸的機械力刺激,促進了細胞間的交互,并誘導它們進一步自組織形成類器官。在系統(tǒng)設計上,作者通過摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(nanoArch® S140,精度:10 μm)制作了培養(yǎng)腔室的支撐結構。在RNA測序(RNA-seq)分析中,超聲波刺激可以顯著增強鈣離子的流入,從而加速細胞團簇的細胞間相互作用過程。


 
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圖1. AV-Scaf技術形成腫瘤類器官。




為了驗證AV-Scaf構建無支架腫瘤類器官的能力,研究人員設計了相應的培養(yǎng)系統(tǒng)(圖2A)。研究人員選擇了100 mV作為最終的換能器驅(qū)動電壓。圖2E和2F分別展示了乳腺癌和黑色素瘤類器官生長照片。如圖2G所示,通過AV-Scaf形成的乳腺癌和黑色素瘤類器官的尺寸和形態(tài)與在Matrigel培養(yǎng)中形成的非常接近。研究人員進一步對兩種方法獲得的腫瘤類器官進行了免疫熒光(IF)染色(圖2H和2I)。結果表明,兩種技術產(chǎn)生的腫瘤類器官都能夠表達與原始組織對應的特定標志物。

 


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圖2. AV-Scaf培養(yǎng)乳腺癌和黑色素瘤類器官。


然后,研究人員對通過AV-Scaf方法產(chǎn)生的黑色素瘤類器官進行了RNA-seq分析(圖3)。GO富集分析顯示,AV-Scaf方法處理后的腫瘤細胞在細胞粘附、鈣離子轉(zhuǎn)運和信號轉(zhuǎn)導等過程中存在顯著的基因富集(圖3E和3F)。對與鈣離子和細胞黏附相關的基因進行熱圖分析(圖3G和3H),表明AV-Scaf方法促進了細胞內(nèi)鈣流入以及增強了細胞黏附行為,這顯著加速了細胞之間的相互作用,從而促進了腫瘤細胞的自組織過程。

 


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圖3. 基于AV-Scaf的腫瘤類器官與腫瘤細胞的轉(zhuǎn)錄組學比較。




研究人員進一步展示了基于AV-Scaf方法建立腫瘤類器官-T細胞共培養(yǎng)系統(tǒng)的過程(圖4)。為了驗證共培養(yǎng)系統(tǒng)的有效性,研究人員建立了兩種T細胞與腫瘤細胞比例的共培養(yǎng)模型,并探索了不同T細胞比例對腫瘤類器官的細胞殺傷作用。


 
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圖4. AV-Scaf建立直接相互作用腫瘤類器官-T細胞共培養(yǎng)系統(tǒng)。




總結:研究人員開發(fā)的AV-Scaf技術為腫瘤生物學和免疫治療提供了一個高效的研究模型,特別是在評估T細胞介導的腫瘤殺傷效應和免疫治療策略的開發(fā)中顯示出了巨大的潛力。AV-Scaf得到的直接相互作用的腫瘤類器官免疫共培養(yǎng)系統(tǒng),不僅能更真實地模擬腫瘤微環(huán)境,還為高通量篩選和個性化醫(yī)療的應用開辟了新的可能。未來,該技術有望被應用于更廣泛的腫瘤類器官類型和共培養(yǎng)類型的研究中,進一步推動個體化癌癥治療的發(fā)展。