基于GelMA水凝胶构建3D肿瘤模型

水凝胶的3D体外模型具有作为药物发现和生物性能筛选的临床前测试平台的潜力，在ECM水凝胶3D体外模型中选择一种模仿疾病的细胞排列对于评估抗癌治疗性能至关重要。为了研究不同细胞排列的影响，近期，圣地亚哥大学João F. Mano教授团队在Biomaterials Science期刊上发表了题为“Hydrogel 3D Invitro Tumor Models for Screening Cell Aggregation Mediated Drug Response”的文章。

开发了一种密集的3D球形微肿瘤和载有GelMA和Matrigel ECM模拟支架的载有细胞的MG-63骨肉瘤平台。这种平台使癌细胞/ 3D微组织成熟和lorlatinib药物性能筛选成为可能。通过液体覆盖技术进行的初始3D球体组装，实现了密集的细胞聚集体的制造，其大小，形态和坏死核的形成均具有可复制性，从而模仿了天然肿瘤。

3D球体可以更好地模拟致密的实体人类肿瘤的特征，包括从增生外缘到肿瘤核心的养分，氧气和pH梯度的建立。图1A是通过超低粘附力（ULA）板中的液体覆盖技术组装骨肉瘤球体的示意图。图1B通过光学对比显微镜的3D球体形态分析。制备出的MG-63球体的细胞密度为3万个细胞（SP-30），直径约为470-500 μm。

图1 具有不同细胞密度SP10-10 000，SP20-20 000和SP30-30 000细胞的3D MG-63球体的优化，以及它们从培养3到14天的进化

作者通过使用Calcein-3D打印和PI（活/死分析）评估3D肿瘤球体重塑类似于体内实体瘤的特征性坏死核的能力。如图2所示，荧光显微镜观察了在培养7天和14天时SP10-10 000，SP20-20 000和SP30-30 000细胞中坏死核心的形成（红色通道）。不同条件的比较显示，在具有20000（SP-20）和3000细胞（SP-30）的模型中培养14天后，可见坏死核心的形成。

图2 使用液体覆盖技术建立的MG-63 3D球体的活/死分析

图3A为载有细胞和嵌入3D球体的水凝胶肿瘤模型装配的示意图。分别测定了细胞和球状水凝胶的活/死细胞活力；载有细胞的水凝胶以及在不同时间点嵌入3D球体的水凝胶的细胞生存力。该模型证明了紧凑的细胞骨架，即使掺入到水凝胶基质中也具有良好的细胞间相互作用。同样，在第14天，来自3D球体的癌细胞明显侵入了周围的GelMA基质，显示出了晚期肿瘤的关键特征。这些不同的结果清楚地表明了癌细胞在水凝胶中排列的影响，并强调了不仅要探索载有细胞的水凝胶的重要性，而且要在ECM模拟支架的设计阶段为体外疾病建立3D球状水凝胶模型。

图3 在模拟ECM的水凝胶中体外3D骨肉瘤模型的表征
在这项研究中，研究人员评估了骨肉瘤细胞聚集状态对体外疾病模型模拟体内肿瘤关键特征的能力。通过使用不同的方法，包括液体覆盖技术和光/热交联的水凝胶平台，建立了三个不同的平台-充满细胞的水凝胶，3D球形嵌入的水凝胶和无支架的3D球形。在制造的模型中评估了形态和表型特征以及药物反应。与单细胞负载水凝胶相比，嵌入ECM模拟水凝胶中的3D球体提供了更好的平台来概括其潜在的治疗潜力和对治疗剂的抵抗力。更重要的是，这些发现强调了在模拟肿瘤模型的开发过程中评估多种聚集状态的重要性，以利用它可进行药物开发，筛选以及简化基础生物学研究。