目前，国际上可供移植的器官缺乏，极大制约了医学的发展和患者的医疗选择。为解决这一问题，同济大学附属上海第四人民医院脑功能与人工智能转化研究所刘琼研究员团队与美国哈佛医学院Yu Shrike Zhang团队合作，基于数字光处理技术的生物打印方法，创建了一系列3D胆管癌芯片。这些芯片很好地模拟了天然胆管癌微环境与微结构，有效突破了目前胆管癌新药研发所面临的缺少准确、快速评价体外模型这一瓶颈，不仅有利于胆管癌新药研发，同时可针对胆管癌患者，提供“一人一芯”，实现快速、有效的抗肿瘤药物筛选和匹配，以挽救更多患者生命。
近日，“基于3D生物打印的胆管癌芯片在药物筛选中的应用”成果在最新出版的组织与器官工程领域国际学术期刊《生物设计与制造》上发表。
“试想，如果不再依赖稀缺的捐赠器官，而是能够在实验室中快速、廉价地构建健康的可替代新器官，那将会给患者带来多大的惊喜。”刘琼介绍，“过去十余年间，这个大胆构想极大推动了在生物3D打印领域的研究与投资。”
据了解，生物3D打印技术是将生物材料(生物墨水)按组织器官功能、仿生形态学，生物结构、细胞类型、特定微环境等要求用3D打印的技术手段制造出具有个性化的体外3D结构模型或3D生物功能结构体。因此，3D生物打印技术可快速实现仿生微环境与微结构模拟，构建仿生器官芯片。
胆管癌因为高异质性、低生存率，迫切需要开发有效的治疗药物。然而，现有的胆管癌药筛模型通常无效，也是至今临床上未有针对胆管癌有效药物的重要原因。
为此，2019年，刘琼联合Yu Shrike Zhang团队，基于3D生物打印，构建了仿生胆管癌芯片模型，将胆管细胞、肝细胞和血管内皮细胞用于模型的3D生物打印，从而实现高度的空间和管状微结构模拟。该模型在很大程度上类似于肝实质-血管-胆道系统的多细胞微环境和解剖微结构，以进行高效的抗肿瘤药物筛选。
刘琼研究员工作照。
胆管癌是肝脏的原发性肿瘤，主要发生在肝外胆管腔内;60%—70%位于肝门周围区域，约25%位于远端导管，其余位于肝脏。胆管细胞、肝细胞和血管在解剖学上有着非常密切的关系，并且通常被确定参与胆管疾病的病理生理学。由于该疾病的复杂性，需要更好的体外模型来阐明胆管癌的发生、进展和药物筛选。为此，他们提出的胆管癌模型从单层2D单培养，改进为精心设计的、基于3D生物打印的3D共培养芯片模型，该模型由模拟细胞外基质的可打印水凝胶和胆管细胞、肝细胞和血管内皮细胞组成的微环境构成。
刘琼介绍，他们首先构建了3D肝实质-血管-胆道多细胞芯片，并证明了3种细胞可以在共培养体系中保持细胞活性。有趣的是，当培养9天时，在胆管癌芯片模型中观察到胆管癌细胞以局部增厚的方式过度生长，产生与体内类似的胆管狭窄。这意味着这些模型的微观结构和微环境有利于胆管癌细胞仿生生长和肿瘤增生，而传统的2D培养无法模拟这一特殊增殖现象。
为了进一步验证3D 肝实质-血管-胆道多细胞芯片的药筛用途，他们分别将环磷酰胺(Cyclophosphamide，CTX)作用于2D和3D胆管癌芯片。环磷酰胺是一种抗肿瘤前药，无直接肿瘤毒性作用，只有进入人体内被肝脏P450酶水解成醛磷酰胺，再运转到组织中形成磷酰胺氮芥，才能发挥肿瘤毒性作用。结果证明，由于缺乏肝细胞模块，环磷酰胺直接作用于2D培养的胆管癌细胞，未显示出显著毒性，而作用于肝实质-血管-胆道多细胞胆管癌芯片的环磷酰胺，由于被肝实质P450水解，对芯片中胆管癌细胞显示了剂量依赖的毒性作用。以上结果说明，芯片中肝细胞提供了P450对抗肿瘤前药环磷酰胺的转化作用，验证了胆管癌芯片对抗肿瘤新药研发的优势性。
刘琼还介绍，基于数字光处理技术的3D生物打印，能够快速选择性地固化生物墨水，可根据具体设计实现交联3D结构。该结构包含比牺牲生物打印更复杂的结构。他们利用该技术还打印了系列胆管癌芯片，这些芯片可包含肝小叶特殊结构、模拟双血供和胆管树结构以及互相交错的血管-胆管结构。其中微胆管和微血管的直径小至200—500µm。随后的灌注进一步证实了这些微通道的相互连接。与传统2D培养相比，这些模型与天然胆管癌的复杂结构(传入血管和胆管穿过肝脏)的结构相似性得到了改善，并将成为未来胆管癌研究和筛选治疗方法的合适工具。
(受访单位供图)
(责任编辑：韩梦晨)
