近日，吉林大學化學學院超分子結構與材料國家重點實驗室李云峰教授課題組在《Advanced Healthcare Materials》期刊上發(fā)表了題為“Instructive hydrogels for primary tumor cell culture: current status and outlook”的綜述文章。該工作系統(tǒng)總結了利用水凝膠體外培養(yǎng)患者來源腫瘤細胞和構建原代腫瘤類器官（Primary tumor organoid，PTO）的最新研究進展。他們總結了這些水凝膠的種類、優(yōu)缺點，展望了水凝膠的創(chuàng)新發(fā)展方向，為探索新型水凝膠提供了有啟發(fā)性的指導。作者從如何獲得和分離腫瘤細胞進行原代培養(yǎng)的策略開始，詳細討論了體內(nèi)腫瘤微環(huán)境以及原代腫瘤細胞培養(yǎng)對水凝膠的要求。接下來，作者總結了用于PTO培養(yǎng)的天然及合成水凝膠和在微尺度水凝膠中生長PTO的新興技術，并回顧了PTO在生物庫和藥物篩選等方面的應用。最后，作者詳細論述了利用合成聚合物水凝膠在PTO發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)和未來研究方向，并對PTO在個性化治療和精確癌癥醫(yī)學方面的應用進行了展望。
圖1. 使用水凝膠培養(yǎng)PTO的過程。
基于ECM蛋白質(zhì)的水凝膠，如Matrigel、膠原蛋白、明膠和纖維蛋白通常被用作3D細胞支架，以支持原發(fā)癌細胞的體外生長，因為它們對細胞生長具有有益的生物化學和生物物理性質(zhì)。多糖水凝膠如透明質(zhì)酸（HA）或海藻酸等具有良好的生物相容性和可控的力學性能，可作為三維細胞培養(yǎng)和組織工程的仿生ECM。例如，使用Matrigel從155個乳腺癌患者組織中建立了95個長期擴增的PTO，與原始乳腺癌組織相比，PTO顯示出相似的ER，PR和HER2表達。苯酚基團修飾的明膠交聯(lián)水凝膠用于在體外培養(yǎng)患者來源的結直腸腫瘤細胞，其對于PTO的培養(yǎng)效果與商品化Geltrex相當。海藻酸鹽-明膠水凝膠用于生物打印非小細胞肺癌和成纖維細胞共培養(yǎng)的PTO。
圖2. PTO在天然水凝膠中的生長a）Matrigel培養(yǎng)的PTO顯示與原始組織相似的標志物表達；b-c）明膠/HA復合水凝膠中PTO的生長；d）在海藻酸-明膠水凝膠中培養(yǎng)PTO。
盡管天然水凝膠為原發(fā)性腫瘤細胞的體外生長提供了廣泛的支持，但其不可控的降解、批次之間的差異阻礙了研究結果的可重復性。相比之下，合成水凝膠通常具有可控的力學性能、合適的細胞粘附配體和可控的生物降解特性，這可以克服天然水凝膠的缺點。目前使用合成水凝膠培養(yǎng)PTO的研究較少，多以PEG基水凝膠為主。例如：最近報道了一種全合成PEG水凝膠，由八臂PEG和三種粘附肽制備，通過對基質(zhì)金屬蛋白酶敏感的肽交聯(lián)。原發(fā)性胰腺腫瘤細胞在該PEG水凝膠中培養(yǎng)4-12天后發(fā)育成成熟的類器官，并且具有與在Matrigel中培養(yǎng)的相似形態(tài)。此外，PEG-HA水凝膠已被用于支持前列腺癌細胞生長為PTO，這些PTO在形態(tài)和藥物反應方面與原發(fā)腫瘤組織相似。另一種合成水凝膠通過PEG-MAL和硫醇化HA的邁克爾加成進行交聯(lián)。由于豐富的HA含量模擬了腦組織的特征，因此這種水凝膠已被用于從患者來源的膠質(zhì)母細胞瘤細胞中制造耐藥性PTO。
通過水凝膠和微加工技術的協(xié)同作用，最近在微型水凝膠中生長原發(fā)性腫瘤細胞開發(fā)了先進的體外PTO模型。與宏觀水凝膠中的PTO相比，微觀水凝膠中的PTO具有明顯的優(yōu)勢：1）高度可控的PTO尺寸，尺寸分布相對較窄；2）可靠的結果，具有較高的再現(xiàn)性；3）使用小樣本進行高通量研究的能力，這對于從癌癥患者的活檢中構建PTO具有重要意義；4）將PTO與微流控設備集成，構建PTO-on-a-chip模型，以高通量方式實現(xiàn)癌癥的基礎研究和生理流動條件下抗癌藥物的篩選。
PTO再現(xiàn)了天然腫瘤組織的許多病理和結構特征，并保留基因組突變特征。因此，這些PTO被認為是癌癥生物學基礎研究、生物庫建設和藥物篩選等領域的“微腫瘤”。大型PTO樣本庫的建立便于研究腫瘤發(fā)生、發(fā)展的機制，探索其行為，或研究機體其他細胞對腫瘤進展的貢獻。PTO在對藥物的敏感性上與患者相似，可以用于臨床篩選潛在有效的治療方法。
圖5. 體外PTO模型在基礎和臨床研究中的新興應用
a）建立乳腺癌PTO生物庫；b）PTO還原原始腫瘤組織的突變特征；c) I型膠原水凝膠用來研究PTO侵襲行為；d）與成纖維細胞共培養(yǎng)促進了PTO的生長和抗藥性；e）PTO可以用來預測患者藥物反應。
總結：用于原代腫瘤細胞培養(yǎng)的水凝膠具有重要意義，它不僅可以作為研究人員選擇合適的用于原代腫瘤細胞培養(yǎng)水凝膠的指南，此外它也啟發(fā)了立志于為新型水凝膠開發(fā)，尤其是合成聚合物水凝膠的開發(fā)做出貢獻的高分子科學家、材料科學家和生物醫(yī)學研究人員，以實現(xiàn)癌癥研究的宏偉藍圖：復制體內(nèi)腫瘤特征的體外腫瘤模型的快速、高質(zhì)量構建。近年來，吉林大學李云峰教授課題組在開發(fā)生物相容、尤其是具有支持原代腫瘤細胞生長潛力的新型水凝膠方面做出一些工作（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，團隊綜述了用于PTO體外生長的三維仿生水凝膠的最新進展，并對目前該領域所面臨的困境給予了科學合理的建議和展望：
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天然水凝膠具有不可控降解，批次間變化等缺點，因此開發(fā)能夠支持PTO生長的合成水凝膠十分重要。合成水凝膠應該盡量降低成本，并且使用簡便。
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為準確地重建具有組成和結構動態(tài)復雜性的腫瘤ECM，應致力于開發(fā)具有刺激響應特性的新型動態(tài)水凝膠；而具有各向同性和各向異性特征之間可逆轉變的智能水凝膠將推進腫瘤侵襲和轉移的研究。
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PTO追蹤的成像和分析技術應得到提升，以便監(jiān)測3D水凝膠中PTO生長或遷移的行為。
吉林大學化學學院李云峰教授及吉林大學白求恩第一醫(yī)院張松靈教授為該文章的共同通訊作者，團隊博士后賈一揚及吉林大學白求恩第一醫(yī)院魏振彤副教授為該文章共同第一作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202102479
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