勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員將3D生物打印與計算流程模擬相結(jié)合，以更好地了解轉(zhuǎn)移過程中癌癥的擴散。

該團隊與杜克大學(xué)的科學(xué)家一起，將腫瘤細胞注射到3D打印的腦細胞結(jié)構(gòu)中。通過對過程進行流體動力學(xué)分析，該團隊能夠確定腫瘤附著在何處，為潛在的預(yù)測模型鋪平了道路。利用研究人員新穎的基于計算機建模的方法，未來的臨床醫(yī)生可以預(yù)測癌細胞在個體患者中的擴散。

LLNL研究的首席研究員莫妮卡·莫亞（Monica Moya）表示：“計算建模絕對是一個有用的工具，但您仍然需要將其與真實事物進行基準(zhǔn)測試。通過這種方法，我們可以根據(jù)驗證模型的需要，使生物學(xué)變得簡單而干凈，并且可以增加生物學(xué)和計算模型的復(fù)雜性。生物學(xué)中的物理問題，該論文確實提供了一個框架，因為您可以如何在體外模型中使用這些模型并進行模擬，以真正增強該領(lǐng)域的實力。”

急需3D打印癌癥解決方案

150多年以來，人們已經(jīng)知道癌細胞可以侵入繼發(fā)部位并引起腫瘤，但是要預(yù)測這些生長的確切軌跡仍然是不可能的。醫(yī)生目前無法早期定位和治療癌癥，這使得它們很難治療，而且當(dāng)大腦中出現(xiàn)生長時，它們幾乎總是致命的。莫亞描述了癌細胞擴散，附著并生長在血管壁上的過程，就像在土壤中種植種子一樣。 莫亞解釋說：“腫瘤細胞傾向于從原發(fā)腫瘤中逃逸，并通過脈管系統(tǒng)傳播。它們最終附著在血管壁上，穿過內(nèi)皮進入組織，并像種子一樣在土壤中生長。”

由于研究中每個血管系統(tǒng)之間的分化因子數(shù)量眾多，因此通過研究進一步了解細胞在何處著陸幾乎是不可能的。測量機械力（例如，體內(nèi)動態(tài)流體流動）還需要大大簡化現(xiàn)有的測試模型，從而限制了它們在得出結(jié)論時的用處。盡管先前有關(guān)癌癥生長的大量研究都涉及計算機建模，但通過原位測試驗證這些假設(shè)非常重要。如果證明正確，那么這些理論將成為理解流型，血管幾何形狀和組織順應(yīng)性在血管內(nèi)播種中的作用的關(guān)鍵。因此，擁有高度詳細的模型對于充分利用癌癥研究的洞察力至關(guān)重要。

盡管驗證的重要性，但方法通常僅限于使用微流體設(shè)備，這些設(shè)備沒有管狀通道或血管順應(yīng)性，這是體內(nèi)模型的兩個重要特征。微流體設(shè)備還缺少循環(huán)腫瘤細胞（CTC）可用的全部附著位點，并且它們的幾何形狀無法在模型之間精確復(fù)制。

LLNL團隊基于水凝膠的設(shè)備

為了克服現(xiàn)有微流體設(shè)備的局限性，LLNL團隊開發(fā)了一種基于水凝膠的血管流動設(shè)備。利用定制的基于擠出的3D打印機，可以對犧牲生物墨水進行圖案化，然后將其嵌入到明膠纖維蛋白水凝膠中。然后排空光通道，并注入永生化的人腦內(nèi)皮細胞，形成血管樣組織。 盡管使用水凝膠可以實現(xiàn)多種血管幾何形狀，但研究人員最初選擇制造簡化的筆直和分支幾何形狀。通過從基本結(jié)構(gòu)入手，該團隊旨在根據(jù)測試過程中的許多連續(xù)小變化得出更廣泛的結(jié)論。血管總的來說是小動脈的大小，有兩個45°分層分支點，子血管直徑越來越小。

為了測試其附加的血管系統(tǒng)，LLNL團隊將其連接到氣動流體供給系統(tǒng)。 7天后，內(nèi)皮細胞完全覆蓋了所有暴露的通道表面，形成了內(nèi)皮襯層的匯合層。隨后，對容器進行一系列流速測試，并用共聚焦顯微鏡成像以評估其對變化流速的響應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)該凝膠的最終儲能模量與人腦組織中報告的儲能模量相似，因此非常適合測試CTC附著的可能性。過濾轉(zhuǎn)移的乳腺癌細胞，使其以1690μl/ min的平均流速循環(huán)通過生物打印裝置1小時。然后將設(shè)備固定，染色和成像以確定CTC的連接位置。測試表明，CTC傾向于將其附著在船只的分支點上，而不是其筆直部分。持續(xù)的模擬顯示3D打印動脈的壁切應(yīng)力（WSS）水平也是附著率的重要因素。盡管在直通道中對癌細胞施加了更大的剪切應(yīng)力，但發(fā)現(xiàn)在較小區(qū)域觀察到的更高的WSS可以增強其錨定作用。基于他們的發(fā)現(xiàn)，LLNL團隊得出結(jié)論，他們進行越來越復(fù)雜的計算流體動力學(xué)模擬的策略取得了成功。研究人員認為他們的方法是使用計算模型確定癌細胞如何擴散到遙遠器官的第一步。

點評：使用這種方法，我們能夠測試，觀察和測量以前不可能的生物學(xué)現(xiàn)象。通過將我們的工程平臺與計算模型配對，我們可以直接詢問轉(zhuǎn)移細胞的行為以及控制轉(zhuǎn)移細胞的規(guī)則，這比單獨進行實驗要快得多。”

利用3D打印對抗癌癥

研究人員經(jīng)常將增材制造用作發(fā)現(xiàn)更多有關(guān)癌細胞的方法，其最終目的是找到與致命疾病作斗爭的方法。來自日本名古屋市大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種新型的3D打印癌癥藥物遞送系統(tǒng)。該團隊使用聚合物水凝膠制造了可植入的貼劑，該貼劑被證明能夠攜帶脂質(zhì)體阿霉素藥物。

弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的一位助理教授已使用3D打印創(chuàng)建了腫瘤細胞的實時模型。這一突破可以使癌癥研究人員更好地了解疾病的進展。

來自美國和德國的研究人員已經(jīng)制作出了膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）（一種侵略性腦癌）的3D生物打印模型。生物制造的細胞結(jié)構(gòu)有可能幫助臨床醫(yī)生更好地了解這種疾病，并加速發(fā)現(xiàn)新的抗擊這種疾病的藥物。
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