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  在過去的幾十年中，人們一直致力于探索各種有效的臨床藥物篩選方法，以明確證明各種化學治療藥物的藥理學和毒理學特性。基于細胞單層的傳統二維（2D）細胞培養方法已得到廣泛應用，雖然操作簡單，但在模擬高度復雜的細胞外基質（ECM）微環境時具有一定的局限性，無法準確反映體內細胞-細胞以及細胞-環境間的相互作用。為了克服這些局限性并得到能夠高度模擬體內腫瘤特征的組織替代物，基于細胞聚集體的三維（3D）腫瘤模型已成為一種有前景的替代方法。

  華僑大學陳愛政教授課題組和哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組基于聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA）多孔微球成功構建三維肝癌模型，并研究該疾病模型在藥物篩選方面的應用（圖1）。首先，利用微流體技術制造了PLGA的大多孔微球（PLGA PMs）。通過微流控技術制備的PLGA PMs平均粒徑為395 μm，擁有開放且相互貫通的孔洞，孔徑為10-60 μm。然后，使用動態培養方法，通過在PLGA PMs中填充人肝癌細胞（HepG2）和人臍靜脈內皮細胞（HUVECs），探索細胞組織聚集體的形成條件及腫瘤微組織的形成過程，構建3D肝癌腫瘤微組織模型。結果發現，在共培養5天后，分散性良好的微球之間開始聚集，并在后續培養過程中形成組織團塊。最后，利用該疾病模型用于評估各種化學治療抗癌藥，包括對于阿霉素（DOX）和順鉑（CIS）的細胞反應。在相同培養時間下，細胞在3D培養條件下的IC₅₀值與傳統的2D培養條件相比明顯更高，且結果具有顯著性差異，說明3D培養下的細胞具有更好的抗藥性，構建的腫瘤模型更加接近真實的腫瘤組織。

圖1 研究示意圖。

  為進一步探究PLGA大多孔微球與HUVECs和HepG2細胞的相互作用以及肝癌組織的形成過程，將獲得的多孔微球混以HepG2和HUVECs，在動態培養條件下觀察細胞的粘附情況及單分散性良好的微球之間因細胞相互作用而出現的微球間聚集及肝癌組織形成情況（圖2）。

圖2 血管化肝癌組織模型形成過程。黃色熒光標記為HUVECs，紫色熒光標記為HepG2。

  熒光染色結果表明，在共培養第一天時，細胞主要粘附在微球表面，內部孔洞結構分布了少量細胞。當培養到第2天時，微球內部的熒光強度明顯增強，表明細胞此時已經進入微球內部，并保持著良好的活性。尤其是在第3天時，單分散性良好的微球由于細胞間的相互作用開始靠近，形成“細胞橋梁”。在第5天時形成聚集體，細胞核染色結果進一步驗證了該實驗結果（圖3）。另外，相比于2D培養條件下的HUVECs和HepG2，3D動態培養條件下的血管化肝癌模型中的細胞能夠分泌更多的白蛋白（Albumin）和多藥耐藥蛋白（MRP），說明了組織形成及抗藥能力提升潛在的可能性。

圖3 （A）血管化肝癌組織模型形成過程及組織分泌（B）Albumin和（C）MRP分析。

圖4 DOX（紅色熒光）作用于（A）2D培養的細胞，及（B）動態培養條件下，（C-F）DOX作用于血管化肝癌組織模型不同時間藥物的積累情況分析

  以DOX為模型藥物，作者觀察了不同時間DOX在血管化肝癌模型中的積累情況（圖4）。由圖4A可以看出，在2D培養條件下，DOX在4 h時即可聚集在細胞內部。而對于3D動態培養條件下的血管化肝癌模型（圖4B-F），在6 h時只能觀察到少量的紅色熒光，在繼續作用1 d后，DOX才逐漸進入組織內部。說明利用PLGA PMs構建的3D血管化肝癌模型能夠有效地延長藥物進入細胞的時間。另外，細胞活性分析結果表明，在相同培養時間下，細胞在3D培養條件下的IC50值明顯更高，且結果具有顯著性差異，說明3D培養下的細胞具有更好的抗藥性，構建的腫瘤模型更加接近真實的腫瘤組織。利用另一種模型藥物CIS重復上述實驗，能夠得到類似的實驗結果，說明了該肝癌模型對于藥物篩選研究的普適性。綜上所述，以肝癌模型為例，可以通過同時負載HepG2及HUVECs體外培養形成血管化的肝癌組織，有利于構建具有復雜血管網絡、高度仿生的肝癌模型，與2D培養相比，可明顯提升細胞對DOX、CIS的抗藥性。該血管化肝癌模型將可用于更多的抗腫瘤藥物的篩選研究。

  以上相關成果以“Modeling Endothelialized Hepatic Tumor Microtissues for Drug Screening”為題，近期在線發表于《Advanced Science》。論文通訊作者為華僑大學陳愛政教授和哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授，華僑大學17級博士生王穎和Ranjith Kumar Kankala博士為共同第一作者。華僑大學王士斌教授、張建庭博士、郝瀏智碩士和復旦大學中山醫院朱鎧博士為論文的共同作者。

  華僑大學部分的研究工作得到國家重點研發計劃重點專項（2018YFB1105600）、國家自然科學基金海峽聯合重點項目（U1605225）及福建省生物材料科技創新團隊項目的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202002002 

作者簡介

  陳愛政：博士、教授、博士生導師。

  福建省優秀教師，入選國家百千萬人才工程、被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號。目前擔任中國生物材料學會理事、中國生物材料學會復合材料分會秘書長、中國生物材料學會青年委員會委員、華僑大學生物材料與組織工程研究所所長、福建省生物材料科技創新團隊帶頭人、福建省生物材料化工博士生導師團隊帶頭人。主持國家自然科學基金海峽聯合重點項目、面上項目、國家重點研發計劃重點專項子任務等國家級課題7項，及教育部博士點基金等省部級和其他課題累計10余項。主要從事超臨界流體技術及生物材料與組織工程領域的研究，已在AM, AFM, Small, JCR, CEJ, AHM, Biofabrication等期刊發表SCI收錄論文100余篇，獲授權國家發明專利10余項。

  課題組網頁：https://www.x-mol.com/groups/hqubiomat

  Y. Shrike Zhang：博士，美國哈佛大學醫學院助理教授，2013年于Georgia Institute of Technology生物醫學工程系取得博士學位。研究領域包括生物打印及器官芯片的平臺搭建與應用研究，在相關領域發表研究論文及綜述200余篇，包括以第一或通訊作者發表的PNAS、Science、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials 等，其中超過40篇封面文章；研究成果曾被BBC、Fox News、The Boston Globe/STAT News、Science Daily、Technology Networks、IEEE Spectrum、C&EN、《科技日報》等報道。擔任十余本雜志的主編、副主編和編委，曾獲得多種國際和地區性獎項40余項。

  課題組網頁：https://shrikezhang.com/