吉林大学李云峰教授课题组Adv. Healthc. Mater. 综述：用于原代肿瘤细胞培养的水凝胶现状与展望

2022-03-08 来源：高分子科技

近日，吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室李云峰教授课题组在《Advanced Healthcare Materials》期刊上发表了题为“Instructive hydrogels for primary tumor cell culture: current status and outlook”的综述文章。该工作系统总结了利用水凝胶体外培养患者来源肿瘤细胞和构建原代肿瘤类器官（Primary tumor organoid，PTO）的最新研究进展。他们总结了这些水凝胶的种类、优缺点，展望了水凝胶的创新发展方向，为探索新型水凝胶提供了有启发性的指导。作者从如何获得和分离肿瘤细胞进行原代培养的策略开始，详细讨论了体内肿瘤微环境以及原代肿瘤细胞培养对水凝胶的要求。接下来，作者总结了用于PTO培养的天然及合成水凝胶和在微尺度水凝胶中生长PTO的新兴技术，并回顾了PTO在生物库和药物筛选等方面的应用。最后，作者详细论述了利用合成聚合物水凝胶在PTO发展中面临的挑战和未来研究方向，并对PTO在个性化治疗和精确癌症医学方面的应用进行了展望。

水凝胶是一种亲水性聚合物的三维网络，其作为一种仿生细胞外基质（ECM），可以满足肿瘤细胞体外生长的基本要求。首先，水凝胶提供了一种类似于ECM的三维网络结构，通过三维信号转导支持三维细胞生长和细胞分化。其次，水凝胶作为水、营养物质和细胞因子的储存库，维持着水平衡和细胞膜的稳定性，并调节细胞命运。此外，通过使用天然ECM分子或经细胞粘附受体修饰的合成材料，水凝胶可以为体外细胞生长提供广泛的生物化学和生物物理学性质，这使得水凝胶特别适合于具有挑战性的原代癌细胞体外培养。根据起始材料的来源，目前用于培养PTO的水凝胶可分为天然水凝胶和合成水凝胶。多种组织工程水凝胶弥补了2D细胞培养与体内生理环境之间的差距，利用水凝胶构建PTO将是癌症研究的一个激动人心的领域，目前仍处于起步阶段。

图1. 使用水凝胶培养PTO的过程。

该过程主要包括四个连续步骤：1）从患者身上切除肿瘤组织；2）将肿瘤组织切成细小碎片；3）将组织样本消化成单个细胞；4）将原代肿瘤细胞包埋在水凝胶中。

基于ECM蛋白质的水凝胶，如Matrigel、胶原蛋白、明胶和纤维蛋白通常被用作3D细胞支架，以支持原发癌细胞的体外生长，因为它们对细胞生长具有有益的生物化学和生物物理性质。多糖水凝胶如透明质酸（HA）或海藻酸等具有良好的生物相容性和可控的力学性能，可作为三维细胞培养和组织工程的仿生ECM。例如，使用Matrigel从155个乳腺癌患者组织中建立了95个长期扩增的PTO，与原始乳腺癌组织相比，PTO显示出相似的ER，PR和HER2表达。苯酚基团修饰的明胶交联水凝胶用于在体外培养患者来源的结直肠肿瘤细胞，其对于PTO的培养效果与商品化Geltrex相当。海藻酸盐-明胶水凝胶用于生物打印非小细胞肺癌和成纤维细胞共培养的PTO。

图2. PTO在天然水凝胶中的生长a）Matrigel培养的PTO显示与原始组织相似的标志物表达；b-c）明胶/HA复合水凝胶中PTO的生长；d）在海藻酸-明胶水凝胶中培养PTO。

尽管天然水凝胶为原发性肿瘤细胞的体外生长提供了广泛的支持，但其不可控的降解、批次之间的差异阻碍了研究结果的可重复性。相比之下，合成水凝胶通常具有可控的力学性能、合适的细胞粘附配体和可控的生物降解特性，这可以克服天然水凝胶的缺点。目前使用合成水凝胶培养PTO的研究较少，多以PEG基水凝胶为主。例如：最近报道了一种全合成PEG水凝胶，由八臂PEG和三种粘附肽制备，通过对基质金属蛋白酶敏感的肽交联。原发性胰腺肿瘤细胞在该PEG水凝胶中培养4-12天后发育成成熟的类器官，并且具有与在Matrigel中培养的相似形态。此外，PEG-HA水凝胶已被用于支持前列腺癌细胞生长为PTO，这些PTO在形态和药物反应方面与原发肿瘤组织相似。另一种合成水凝胶通过PEG-MAL和硫醇化HA的迈克尔加成进行交联。由于丰富的HA含量模拟了脑组织的特征，因此这种水凝胶已被用于从患者来源的胶质母细胞瘤细胞中制造耐药性PTO。

图3. 合成水凝胶中的PTO生长a-b）八臂PEG水凝胶用于PTO封装及生长；c） HA/PEG水凝胶中PTO生长；d）在PEG水凝胶中添加HA和RGD肽增强PTO中CD44和整合素αV的共表达。

通过水凝胶和微加工技术的协同作用，最近在微型水凝胶中生长原发性肿瘤细胞开发了先进的体外PTO模型。与宏观水凝胶中的PTO相比，微观水凝胶中的PTO具有明显的优势：1）高度可控的PTO尺寸，尺寸分布相对较窄；2）可靠的结果，具有较高的再现性；3）使用小样本进行高通量研究的能力，这对于从癌症患者的活检中构建PTO具有重要意义；4）将PTO与微流控设备集成，构建PTO-on-a-chip模型，以高通量方式实现癌症的基础研究和生理流动条件下抗癌药物的筛选。

图4. 构建PTO的代表性微加工技术a-c）用于生长微型PTO的芯片；d-f）自动化微流控高通量PTO培养平台；g-h） 3D打印PTO平台。

PTO再现了天然肿瘤组织的许多病理和结构特征，并保留基因组突变特征。因此，这些PTO被认为是癌症生物学基础研究、生物库建设和药物筛选等领域的“微肿瘤”。大型PTO样本库的建立便于研究肿瘤发生、发展的机制，探索其行为，或研究机体其他细胞对肿瘤进展的贡献。PTO在对药物的敏感性上与患者相似，可以用于临床筛选潜在有效的治疗方法。

图5. 体外PTO模型在基础和临床研究中的新兴应用

a）建立乳腺癌PTO生物库；b）PTO还原原始肿瘤组织的突变特征；c) I型胶原水凝胶用来研究PTO侵袭行为；d）与成纤维细胞共培养促进了PTO的生长和抗药性；e）PTO可以用来预测患者药物反应。

总结：用于原代肿瘤细胞培养的水凝胶具有重要意义，它不仅可以作为研究人员选择合适的用于原代肿瘤细胞培养水凝胶的指南，此外它也启发了立志于为新型水凝胶开发，尤其是合成聚合物水凝胶的开发做出贡献的高分子科学家、材料科学家和生物医学研究人员，以实现癌症研究的宏伟蓝图：复制体内肿瘤特征的体外肿瘤模型的快速、高质量构建。近年来，吉林大学李云峰教授课题组在开发生物相容、尤其是具有支持原代肿瘤细胞生长潜力的新型水凝胶方面做出一些工作（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56,6083-6087；Science Advances 2018,4, eaas8998，Biomacromolecules 2021, 22, 419?429； Nano Today 2021，39，101180）。基于此，团队综述了用于PTO体外生长的三维仿生水凝胶的最新进展，并对目前该领域所面临的困境给予了科学合理的建议和展望：

天然水凝胶具有不可控降解，批次间变化等缺点，因此开发能够支持PTO生长的合成水凝胶十分重要。合成水凝胶应该尽量降低成本，并且使用简便。
为准确地重建具有组成和结构动态复杂性的肿瘤ECM，应致力于开发具有刺激响应特性的新型动态水凝胶；而具有各向同性和各向异性特征之间可逆转变的智能水凝胶将推进肿瘤侵袭和转移的研究。
PTO追踪的成像和分析技术应得到提升，以便监测3D水凝胶中PTO生长或迁移的行为。

吉林大学化学学院李云峰教授及吉林大学白求恩第一医院张松灵教授为该文章的共同通讯作者，团队博士后贾一扬及吉林大学白求恩第一医院魏振彤副教授为该文章共同第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202102479

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（责任编辑：xu）

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