3D生物打印肿瘤模型及其潜在应用：综述

学术背景

癌症是全球范围内导致人类死亡的主要原因之一，其不受控制的异常增殖、快速生长、转移和高异质性使得传统的二维（2D）细胞培养和动物模型在肿瘤诊断和治疗研究中的临床转化率极低。为了克服这些局限性，研究人员迫切需要开发更合适的肿瘤模型。近年来，三维（3D）生物打印技术作为一种新兴技术，能够通过精确调控细胞、生物分子和基质成分的空间分布，制造出更接近真实人体肿瘤的空间组织、细胞资源和微环境特征（如缺氧、坏死和延迟增殖）的肿瘤模型。这篇综述性论文旨在探讨3D生物打印技术在肿瘤模型构建中的应用，特别是针对胶质瘤、乳腺癌、肝癌、肠癌、宫颈癌、卵巢癌和神经母细胞瘤等肿瘤类型，并详细介绍了3D生物打印肿瘤模型在肿瘤微环境、肿瘤血管化、肿瘤干细胞、肿瘤耐药性及药物筛选、肿瘤免疫治疗和精准医学等领域的应用进展。

论文来源

这篇综述性论文由Huaixu Li、Yang Qiao、Xingliang Dai、Haotian Tian、Zhenyu Han、Sheng Cheng、Peng Gao和Hongwei Cheng共同撰写。作者们来自安徽医科大学第一附属医院神经外科、华东数字医学工程研究所、安徽医科大学第一临床学院医学影像技术系以及南京大学医学院附属金陵医院神经外科。该论文于2024年11月14日在线发表在Bio-design and Manufacturing期刊上，DOI为10.1007/s42242-024-00317-y。

论文主要内容

1. 3D生物打印技术及其在肿瘤模型中的应用

3D生物打印技术是一种能够快速、精确和定量沉积生物活性成分（如活细胞、生物材料、药物、生长激素和基因组）的创新技术，用于构建具有复杂空间结构的活性组织。目前，主要的3D生物打印技术包括基于液滴的生物打印（Droplet-based Bioprinting, DBB）、基于挤出的生物打印（Extrusion-based Bioprinting, EBB）、激光辅助生物打印（Laser-assisted Bioprinting, LAB）和光固化生物打印（Stereolithography Bioprinting, SLB/DLB）。每种技术都有其优缺点，例如DBB具有快速、灵活和易于使用的优点，但存在生物墨水材料选择有限、液滴尺寸不均匀和喷嘴堵塞等问题；EBB则适用于高细胞密度的组织打印，但可能导致细胞结构变形和活力损失。

2. 生物墨水（Bioinks）的选择与应用

生物墨水是3D生物打印的关键材料，通常由细胞、基质和其他生物材料组成。根据来源，生物墨水可分为天然和合成两类。天然生物墨水如明胶、透明质酸、纤维蛋白和脱细胞外基质（Decellularized Extracellular Matrix, DECM）等，具有良好的生物相容性和细胞支持能力，但存在批次间差异大和机械性能差的问题。合成生物墨水如聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）等，具有可调性强、机械性能好等优点，但可能存在细胞相容性差和毒性溶剂的问题。

3. 3D生物打印肿瘤模型的具体应用

3.1 胶质瘤模型

胶质瘤是中枢神经系统中最常见的恶性肿瘤之一，具有高度恶性、复发率高和预后差的特点。通过3D生物打印技术构建的胶质瘤模型能够更好地模拟肿瘤微环境，研究胶质瘤干细胞的富集效应和血管内皮转化潜力。例如，研究团队利用3D生物打印技术构建了胶质瘤干细胞模型，发现其在3D环境中表现出更强的侵袭性和替莫唑胺耐药性。

3.2 乳腺癌模型

乳腺癌是全球范围内威胁人类健康的主要癌症之一。3D生物打印技术能够构建包含肿瘤细胞、脂肪细胞和基质的乳腺癌模型，用于研究肿瘤细胞与脂肪细胞的相互作用以及肿瘤的侵袭和耐药性。例如，研究人员利用激光直写生物打印技术构建了乳腺癌模型，成功模拟了乳腺癌细胞向脂肪组织的侵袭过程。

3.3 肝癌模型

肝细胞癌（Hepatocellular Carcinoma, HCC）是全球第五大常见癌症，其发展过程与肝脏细胞外基质的硬度密切相关。通过3D生物打印技术构建的肝癌模型能够更好地模拟肝脏的3D机械环境，研究肝癌细胞的增殖和侵袭特性。例如，研究人员利用光固化3D生物打印技术构建了肝癌模型，发现肝硬化硬度的DECM支架能够抑制肝癌细胞的增殖并增加其侵袭标志物的表达。

3.4 肠癌模型

肠癌是一种严重的疾病，其肿瘤微环境由肿瘤相关成纤维细胞和内皮细胞组成。通过3D生物打印技术构建的肠癌模型能够更好地模拟肿瘤微环境，研究肿瘤细胞的耐药性和药物筛选。例如，研究人员利用3D生物打印技术构建了包含肿瘤细胞、肿瘤相关巨噬细胞和内皮细胞的多细胞模型，发现其在化疗药物筛选实验中表现出更高的耐药性。

3.5 宫颈癌模型

宫颈癌是较早被研究的3D生物打印肿瘤模型之一。通过3D生物打印技术构建的宫颈癌模型能够更好地模拟肿瘤的三维形态和微环境，研究肿瘤细胞的侵袭和迁移特性。例如，研究人员利用挤出式3D生物打印技术构建了宫颈癌模型，发现其在3D环境中表现出更高的细胞活力和侵袭性。

3.6 卵巢癌模型

卵巢癌模型的3D生物打印技术能够实现高通量自动化生产，用于研究肿瘤与基质细胞之间的反馈机制。例如，研究人员利用液滴式生物打印技术构建了卵巢癌微组织模型，成功模拟了肿瘤与基质细胞的相互作用。

3.7 神经母细胞瘤模型

神经母细胞瘤是儿童期常见的实体肿瘤之一，预后较差。通过3D生物打印技术构建的神经母细胞瘤模型能够更好地模拟肿瘤微环境，研究肿瘤细胞的侵袭和迁移特性。例如，研究人员利用气动挤出式3D生物打印技术构建了神经母细胞瘤模型，成功评估了两种化疗药物的疗效。

4. 3D生物打印肿瘤模型的应用研究

4.1 肿瘤微环境的构建

肿瘤微环境是肿瘤细胞生存和发展的关键，3D生物打印技术能够精确调控细胞和生物材料的空间分布，构建更接近真实肿瘤微环境的模型。例如，研究人员利用3D生物打印技术构建了包含宫颈癌细胞和基质的多细胞球体模型，发现其在3D环境中表现出更高的耐药性。

4.2 肿瘤血管化

3D生物打印技术能够构建包含肿瘤细胞和内皮细胞的共培养模型，研究肿瘤血管化的机制。例如，研究人员利用3D生物打印技术构建了胶质瘤细胞和内皮细胞的共培养模型，发现其在3D环境中能够形成血管样结构。

4.3 肿瘤干细胞

肿瘤干细胞具有自我更新和分化为多种肿瘤细胞的能力，是肿瘤生存、生长、转移和复发的关键。通过3D生物打印技术构建的肿瘤干细胞模型能够更好地模拟肿瘤微环境，研究肿瘤干细胞的生物学特性。例如，研究人员利用3D生物打印技术构建了胶质瘤干细胞模型，发现其在3D环境中表现出更稳定的增殖能力。

论文的意义与价值

这篇综述性论文全面总结了3D生物打印技术在肿瘤模型构建中的应用进展，详细介绍了不同肿瘤类型的3D生物打印模型及其在肿瘤微环境、肿瘤血管化、肿瘤干细胞、肿瘤耐药性及药物筛选、肿瘤免疫治疗和精准医学等领域的应用。通过3D生物打印技术构建的肿瘤模型能够更好地模拟真实肿瘤的生物学特性，为肿瘤研究和治疗提供了更准确和可靠的实验平台。此外，该论文还为未来的研究提供了重要的参考和指导，推动了3D生物打印技术在肿瘤研究中的广泛应用。

亮点与创新

1. 多肿瘤类型覆盖：论文详细介绍了胶质瘤、乳腺癌、肝癌、肠癌、宫颈癌、卵巢癌和神经母细胞瘤等多种肿瘤类型的3D生物打印模型，展示了该技术的广泛应用前景。
2. 肿瘤微环境的精确模拟：通过3D生物打印技术构建的肿瘤模型能够更好地模拟肿瘤微环境，为肿瘤生物学研究和抗癌药物筛选提供了更准确的实验平台。
3. 肿瘤血管化和干细胞研究：论文详细介绍了3D生物打印技术在肿瘤血管化和肿瘤干细胞研究中的应用，为理解肿瘤的侵袭和转移机制提供了新的视角。
4. 个性化医疗的潜力：通过3D生物打印技术构建的患者特异性肿瘤模型能够为个性化医疗提供重要的实验依据，推动精准医学的发展。

总结

这篇综述性论文全面探讨了3D生物打印技术在肿瘤模型构建中的应用，展示了该技术在肿瘤研究中的巨大潜力。通过3D生物打印技术构建的肿瘤模型能够更好地模拟真实肿瘤的生物学特性，为肿瘤研究和治疗提供了更准确和可靠的实验平台。未来，随着技术的不断进步，3D生物打印技术有望在肿瘤研究和个性化医疗中发挥更大的作用。