乳腺癌是女性中最常见和致命的癌症之一
，
其高死亡率和细胞耐药性相关。
近年
来研究
发现肿瘤微环境（TME）
对
乳腺癌耐药性
有重要影响
。
癌症相关成纤维细胞 （
CAF
） 作为 TME 的主要细胞成分，在放射敏感性、靶向治疗效果和转移风险中起着关键作用，而组成 TME 微血管系统的内皮细胞也被证明在治疗后通过旁分泌信号传导调节乳腺癌细胞的侵袭性。在过去，人们通常使用2D培养和体内模型进行癌症药物筛选，但有近90%的候选药物未能获得临床使用批准。近期，生物制造业的高速发展使得生物3D打印成为模拟肿瘤的重要策略。因此，来自波尔多大学的Hugo Oliveira教授团队通过微挤压生物打印技术构建乳腺癌模型，该模型能够重现TME的三维空间结构和细胞间相互作用，
可应
用于肿瘤发展和治疗
的相关研究
。
首先，
研究者采用了
甲基丙烯酰化
胶原蛋白（ColMA）和
甲基丙烯酰化
透明质酸 （HAMA） 结合的方式
构建水凝胶
模拟肿瘤组织
成分
，
采用层粘连蛋白 111 衍生肽 IKVAV
对水凝胶
进行功能化修饰
以促进肿瘤细胞的迁移、增殖以及代谢
，并确定
IKVAV
浓度为1mg/mL 时，生物墨水的剪切变稀能力适合打印，且能维持乳腺癌细胞 MCF-7 的代谢活性。通过
3D
打印，封装 MCF-7细胞的生物墨水形成了一个直径为 3 mm 的圆盘状物体，此外，包裹CAF和人脐静脉内皮细胞 （HUVEC）的基质生物墨水在其外围形成第二个圆盘，
其
厚度均为0.5 mm（图1）
，
获得
包含明显的肿瘤中心和周围间质
的
圆盘状
生物打印乳腺癌模型
。
研究
显示，
在打印后第 1 天，细胞沿 z 轴均匀分布，而第 7 天细胞的体积显著增加且分布更分散。将模型分为表面和核心区域分析，发现第 7 天核心区域的细胞活力明显低于表面区域，且出现大量积累的死细胞，但模型表面的细胞却在增殖，总体呈现出坏死样核心和增殖性表面的特征。
为进一步探索
这一模型是否能创造出类似乳腺癌的低氧核心区，研究者用
HRE-dUnaG缺氧报告基因转
染
MCF-7 细胞
。
随着时间推移，模型的核心区表现出超高dUnaG荧光，同时，ki-67表达降低，证实了
该
模型中缺氧核心的形成，且缺氧区域的细胞增殖较低。
然后，研究者观察不同共培养条件下 MCF-7 的生长和增殖，发现 CAF或
正常乳腺成纤维细胞（
NMF
）
与 MCF-7 和 HUVEC 共培养时，MCF-7 的增殖在第 4 天到第 7 天有所下降，但细胞体积增加。不同条件下的ki67阳性细胞均显著多于阴性细胞，表明基质细胞不阻碍癌细胞增殖。另外，
HUVEC
单独培养
或与 MCF-7 共培养时，形成的血管网络成熟度差，而加入CAF共培养可增加 3D 网络复杂性，且 CAF 存在时总血管长度、体积和分支点数显著增加，表明 CAF 促进了微血管结构的产生。
表
明
该
乳腺癌模型
中
三种细胞
（
CAF
/
HUVEC
/
MCF-7
）
共存
的
重要性（图3）。
紧接着，研究者通过蛋白组学分析发现，
CAF 在成熟过程中可能过度表达特定蛋白质。
为了更好地理解这种差异，他们将蛋白质与其相应的GO生物过程和细胞组分相关联以进行富集分析。结果显示，细胞黏附、分泌和细胞外基质相关的 GO 术语在CAF组
乳腺癌模型（triCAF）
中显著富集。与NMF
组（triNMF）
相比，CAF
组
在成熟过程中
特异性高表达某些消化酶
降解
系列
胶原蛋白链，同时分泌更多的其他胶原蛋白和层粘连蛋白。
与此同时，
triCAF
基质的宏观杨氏模量更高，表明 CAF 能够改变
乳腺癌
模型的 ECM 组成和机械性能（图4）。
最后，研究者观察
了乳腺癌
模型在放化疗中的应用场景。他们发现
该
模型能够对治疗产生响应，表现为 GFP
+
MCF-7 细胞减少，且具有剂量相关性效应关系。同时，研究者发现 NMF 组中细胞体积减小，增殖阳性率增加，而 CAF组模型无明显变化，表明 CAF 对癌细胞有潜在的保护作用。通过细胞因子阵列分析，研究者发现放疗可降低细胞因子分泌，且两组间的分泌因子具有显著差异，某些与肿瘤进展相关的细胞因子例如IGFBP-2、IL-8、TNFα等在 CAF 中高表达。同时，作为一种预后不良的预测因子和与放射治疗抵抗性相关的标志物—— CXCL-1（GROα）也在CAF组中高表达，进一步表明该肿瘤模型可用于模拟治疗反应及旁分泌相互作用的研究
（图5）
。
综上所述，该肿瘤模型能够重现乳腺癌的三维结构和细胞间相互作用
。
CAF 在肿瘤微环境中起着重要作用，能够调节细胞外基质的组成和机械性能，影响肿瘤的发展和治疗反应
，使得该模型可作为研究肿瘤微环境和评估基质靶向药物的平台，为乳腺癌的治疗提供新的思路和方法。
该研究由
来自波尔多大学的Hugo Oliveira教授团队
完成，并于2
024
年9月5日在线发表于
Bioactive Materials
期刊。
论文信息:
Theo Desigaux, Leo Comperat, Nathalie Dusserre, Marie-Laure Stachowicz, Malou Lea, Jean-William Dupuy, Anthony Vial, Michael Molinari, Jean-Christophe Fricain, François Paris, Hugo Oliveira, 3D bioprinted breast cancer model reveals stroma-mediated modulation of extracellular matrix and radiosensitivity, Bioact Mater 2024, 42: 316-327.
供稿：段煜东
审校：过倩萍
编辑：许梦平
