美国大学教授利用3D打印技术推进癌症研究

国际金属加工网 2020年05月20日

美国弗吉尼亚联邦大学(VCU)人文与科学学院的一名助理教授利用3D打印技术制造出了肿瘤细胞的活体模型,这可能使癌症研究人员能够更好地了解疾病的进展。

VCU的博士、助理教授Daeha Joung发明了构建肿瘤构造的新颖方法。这种新技术可以精确地放置和控制活细胞,更有效地模仿癌症传播的关键步骤。这种方法可以让VCU的Massey癌症中心的研究人员最大限度地研究癌细胞的生长,并评估抗癌免疫毒素的效果。

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助理教授Joung表示,这种新颖的技术可以用于癌症药物的试验。图片来源:VCU

从2D打印技术在癌症研究中的发展

来自德国欧洲分子生物学实验室的研究人员在2018年12月的研究中发现,2D结构难以准确复制原生肿瘤微环境的特征。研究发现,3D细胞培养物可以建立细胞间的相互作用,可以更好地模仿真实组织的特异性,这样做的速度更快,表现出更复杂的行为。

然而,Joung认为,由于肿瘤细胞的运动受各种化学信号的调节,肿瘤的转移性仍然是目前模型的主要预后和治疗挑战。因此,需要一个更精确的模型,将肿瘤微环境中的这些元素纳入其中,并能够研究发生在身体远处的多层次相互作用。"已经开发了许多策略来克服这些障碍,但并不完全成功,"Joung解释道。"我可以利用物理学、纳米技术和工程来克服这些障碍,并提供了一个独特的见解,可能为癌症的新治疗方案打开了大门。"

Joung的方法通过使用3D生物打印和受折纸启发的自折叠技术来创建复杂的多材料、多尺度和多功能的3D结构,解决了这些限制。这使得活体细胞和支持性基质的众多组合可以在精确的空间控制下整合,从而实现了具有良好的生物医学应用前景的组织工程化。

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3D打印的微胶囊如何工作的可视化演示 图片来自VCU

制造3D打印的细胞控制胶囊

3D打印的刺激反应胶囊使Joung能够控制这些结构中的细胞。含有一个水核,以及功能分子因子和质子金纳米棒(AuNRs)的有效载荷,这些微观的胶囊允许在3D基质中触发释放化学线索。一旦使用激光辐射激活,Joung能够在局部水平上操纵细胞行为。当这一点与3D细胞打印结合在一起时,它允许创建复杂的肿瘤构建体,这些构建体使用多路化学信号进行控制。

为了展示胶囊的空间控制,Joung打印了一个包含不同体积的核心阵列,通过部署UV激光可以精确地触发这些核心。利用3D打印技术,Joung能够在相同的条下平行测试五组迁移样品。这种方法还允许他在必要时添加材料,并对所生产的细胞进行定制,以显示不同的行为。

作为该技术的成果,Massey的科学家们将能够向Joung提供癌症组织样本,然后规定他们需要制造的特定设计或肿瘤结构。然后,利用机器人机构和定制的3D打印技术,Joung将调整被复制和打印的细胞类型的数量和具体配置。

而这又可以使未来的研究人员能够筛选出新型的抗癌药物,并测试针对患者的诊断和治疗策略。"从工程的角度来看,癌症是癌症,所以我的实验室可以制造出许多不同类型的肿瘤组织仿制物。"Joung说。"如果有人对肺癌感兴趣,我们可以打印出肺癌细胞。如果有人对乳腺癌细胞感兴趣,我们也可以打印出那些细胞,"他补充说。

Joung的野心是设计出先进的3D系统的综合平台,应用于癌症神经再生模型,为测试治疗疾病的治疗方案开辟了新的机会。

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梅西中心的研究人员测试治疗癌症的治疗方案。图片来源:VCU的梅西中心

3D打印的抗癌方法

来自其他学术机构的科学家和研究人员也利用3D打印技术创建了活体3D细胞模型,目的是为了更好地了解和治疗癌性肿瘤。

2020年4月,来自美国和德国的研究人员提出了一种研究胶质母细胞瘤(GBM)的新方法,胶质母细胞瘤是一种侵袭性的脑癌类型。他们使用了一系列以灌注血管通道为特征的人类脑细胞和生物材料,实现了长期培养和给药。三维成像技术被总结用于组织构建物的无创评估。

新西兰怀卡托大学的一名硕士生在2018年8月宣布,她计划在设计出3D打印的塑料肿瘤模型后,利用真实细胞生长和测试癌症肿瘤。这些生物打印的模型的基础是一系列类似于乳腺癌肿瘤的手掌大小的网状半球。

来自比利时Katholieke大学鲁汶分校和印度海得拉巴德理工学院的研究人员在2017年6月发布了研究报告,调查了3D打印如何用于癌症研究。虽然这两篇论文都强调了利用3D打印创造微环境的潜力,但印度研究人员提出了能够精确放置细胞并在体内复制肿瘤微环境的可能性。

研究人员的研究结果详见于他们题为 "3D生物打印的体外转移模型通过重建肿瘤微环境 "的论文,该论文发表在《先进材料》杂志上,由Fanben Meng、Carolyn M. Meyer、Daeha Joung、Daniel A. Vallera、Michael C. McAlpine和Angela Panoskaltsis-Mortari共同撰写。

(3D打印世界)

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