對于腫瘤細胞，3D培養方法在表型和基因型方面能讓細胞更接近體內的行為。然而，腫瘤微環境何其復雜，雖然有研究人員將腫瘤細胞與其他細胞如成纖維細胞共培養，也有人建立了血管化模型，但還是有些“單薄”無法精確模擬腫瘤的轉移環境。近日，來自美國明尼蘇達大學的研究人員利用3D生物打印技術，構建了一種新型的“精密”的3D體外腫瘤模型。可以精確放置活細胞（腫瘤細胞，基質細胞和血管細胞）構建功能性的脈管系統，同時可以放置信號分子并控制其釋放來引導腫瘤細胞轉移。重要的是，將腫瘤靶向藥物導入血管可以進行藥物篩選。這個模型幾乎完美地動態重現了癌癥轉移的幾個關鍵步驟包括侵襲、血管內滲和血管生成，對于腫瘤的研究和新型抗癌藥物的篩選具有重大意義。研究結果發表于《Advanced Materials》（IF=21.950）。

 該模型有四大模塊，可以精確模擬腫瘤轉移環境：（1）腫瘤基質。選擇水凝膠作為支架，水凝膠中含有成纖維細胞，用來構成腫瘤基質。（2）化學環境。3D打印的微膠囊包含趨化通路分子，如VEGF和EGF，在外界刺激下（膠囊外殼響應近紅外激光）可動態釋放這些化學信號，用來模擬腫瘤組織中的化學環境并指引細胞遷移。（3）血管系統。將人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）注入微通道進行內皮化，作為血管導管，以便腫瘤細胞穿過內皮屏障到達血管，產生循環腫瘤細胞（CTCs）。（4）腫瘤細胞。將腫瘤細胞簇置入打印的液滴隔室，模擬腫瘤的原發部位。

▲3D打印的體外腫瘤模型，模擬腫瘤細胞的轉移。3D打印的可編程膠囊梯度釋放EGF和VEGF，介導腫瘤細胞對腫瘤基質的侵襲和血管內滲入。EGF：表皮生長因子; VEGF：血管內皮生長因子; EGFR：EGF受體；VEGFR：VEGF受體。

▲膠囊釋放的EGF可用于引導腫瘤細胞遷移。大多數腫瘤細胞（A549肺癌細胞）僅在EGF膠囊區域中發現并且隨著更多膠囊破裂而增加。

▲VEGF膠囊誘導主血管出芽，A549細胞進入脈管系統。

滲透到血管中的腫瘤細胞作為CTCs在血管流動，并且可以在獨立的腔室內被收集?？梢詫Ω患腃TCs進行特異性分析。

▲在富集的A549肺癌細胞中，波形蛋白和N-鈣粘蛋白上調。

     該3D生物打印腫瘤模型可作為藥物篩選的臨床前工具。通過血管引入兩種免疫毒素藥物EGF4KDEL和CD22KDEL。EGF4KDEL由EGF和截短的假單胞菌外毒素組成，靶向EGFR過表達的A549腫瘤細胞。與無藥物治療組相比，腫瘤細胞的增殖顯著減少，并且未觀察到引導入侵和遷移。由于A549不表達CD22，它們不受CD22KDEL的影響，表現出快速增殖和引導入侵。

▲利用該模型進行藥物篩選

     盡管這種模型并不能完全概括體內腫瘤微環境的復雜性，但其極大化地縮短了傳統2D單層細胞培養和動物模型之間的差距。同時推進了3D組織工程研究。該研究團隊的下一步計劃是加入更多的細胞類型，特別是免疫系統細胞，并研究這些細胞之間的相互作用。