Nat Rev Cancer: 研究肿瘤生态系统的微工程和纳米工程方法

背景：

肿瘤细胞、肿瘤微环境(TME)和非肿瘤组织之间的相互作用是许多癌症研究者感兴趣的问题。微工程方法和纳米技术正在进行广泛的探索，以模拟这些相互作用，并在原位和体内检测它们，以研究癌症治疗的脆弱性，并扩展肿瘤生态系统的系统性观点。

简介：

2023年6月23日，来自美国威尔康奈尔医学院的Daniel A. Heller教授课题组在Nat Rev Cancer（IF: 69.8）杂志上发表题为“Micro-engineering and nano-engineering approaches to investigate tumour ecosystems”的文章[1]。在本文中，作者强调使用微流控装置、生物打印或芯片上的器官方法来提高对肿瘤生态系统的理解的最大机会。作者还讨论了可以从TME内部或体内其他地方传输信息的纳米传感器的潜力，以解决有关TME和循环分析物的化学梯度、酶活性、代谢和免疫特征变化的科学和临床问题。本综述旨在将癌症生物学和工程技术联系起来，提出生物医学技术可以扩展前者的方法，同时启发后者开发癌症生态系统的研究方法。

在本文中，作者强调使用微流控装置、生物打印或芯片上的器官方法来提高对肿瘤生态系统的理解的最大机会。作者还讨论了可以从TME内部或体内其他地方传输信息的纳米传感器的潜力，以解决有关TME和循环分析物的化学梯度、酶活性、代谢和免疫特征变化的科学和临床问题。本综述旨在将癌症生物学和工程技术联系起来，提出生物医学技术可以扩展前者的方法，同时启发后者开发癌症生态系统的研究方法。

主要结果：

癌症研究的工程学方法。

微技术和纳米技术以及相关工程方法的发展已经朝着基础和转化研究应用的方向发展。微尺度技术在高通量筛选和结构制造中得到了广泛的应用。例如，microfluidic系统已被开发用于高通量单细胞分析，以研究潜在的治疗漏洞。具有自组装微血管的肿瘤模型已被用于在药理学测试中重现疾病的病理生理学。通过血管流动连接的工程组织组成的多器官芯片能够研究细胞因子介导的通讯、循环细胞和外泌体，并评估药物的临床药代动力学和药效学特征和毒性生物标志物。微尺度生物打印可以将可灌注血管网络整合到3D肿瘤模型中，以模拟体内细胞异质性、细胞间相互作用和空间断层扫描，预测治疗反应。纳米级方法利用纳米尺寸材料上的分子相互作用，为感兴趣的分析物产生精确的响应。光学、磁性和放射性标记的纳米粒子被用作癌症生物标志物和诊断的传感材料，富集和分离癌症源性分析物的清除平台，用于组学分析，以及体内肿瘤成像。

肿瘤模型的工程学。

癌症研究的所有阶段，从机制和生物标志物发现到转化和临床研究，都需要开发接近肿瘤生态系统各个方面的临床前模型。这包括从传统的2D细胞培养系统到多细胞球体、类器官和小鼠模型(图1)。癌细胞系的传统2D培养系统缺乏TME的几何和生物复杂性，并且由于在体外的长期维持而遭受遗传漂移和瓶颈效应。此外，球体或类器官培养通常缺乏微环境成分，研究方案的差异可能导致异质性。目前正在采取令人鼓舞的措施优化和标准化3D细胞培养条件，并引入微环境成分。二维和三维培养系统都是静态的，与流动相关的动态的生态系统的生物物理和生理条件不容易复制。3D生物打印的肿瘤模型包含了可灌注的血管、不同的模块化细胞类型和细胞外基质，再现了肿瘤诱导的组织可塑性或基质细胞表观遗传修饰。然而，3D生物打印癌症模型的复杂架构需要昂贵的设备和训练有素的跨学科团队。

TME的结构成分。

细胞迁移是肿瘤转移的关键步骤。癌细胞通过解剖结构定义的预先存在的路径迁移，或通过新创建的路径迁移，要么通过ECM重塑，要么通过癌症相关的基质细胞或“领导”细胞先前的迁移。然而，TME的异质性和癌细胞迁移机制的多样性使得在生理条件下模拟癌细胞迁移的工作变得复杂。具体来说，传统的2D培养系统和ECM凝胶的细胞培养不能重现TME的复杂性。为了达到这个目的，已经开发了各种不同的检测方法来研究局限性迁移，这些方法呈现出具有明确尺寸和刚度的通道样和纤维样轨迹。

3D细胞培养支架的工程可以研究刚度、孔隙率和ECM成分对免疫细胞迁移到肿瘤部位的行为、癌细胞的活力和癌细胞生长的影响。不同程度的ECM硬度可以原位模拟实体瘤的不同特征。例如，一种紫外线交联明胶甲基丙烯酰水凝胶可以产生一种定制的ECM，其刚度和孔隙率类似于多种癌症基质的特性。此外，微流控水凝胶模型已被用于评估免疫细胞的细胞毒性和迁移障碍之间的相关性。

探索肿瘤生态系统。

缺氧、酸中毒和营养缺乏使TME成为不利于细胞增殖的环境。肿瘤细胞、TME和远端器官之间复杂的代谢相互作用和沟通，协调了不断进化的肿瘤起始、扩展和转移生态系统。肿瘤生态系统中生物标志物和代谢物水平所赋予的时空信息的测量是重要的，因为肿瘤细胞的功能和相互作用高度依赖于时间和位置。研究癌症代谢仍然面临挑战，包括测量TME内和系统的代谢交互作用，以及评估对遗传或治疗干预的反应。与专注于全组织和终端读数的传统检测方法相比，纳米传感器的发展为动态捕获信息和揭示体内机制细节提供了机会，否则可能会被体外和离体研究遗漏。

免疫编辑和炎症。

在肿瘤免疫编辑过程中，免疫系统抑制免疫原性肿瘤细胞克隆的扩增，导致免疫原性较低的克隆被选择和逃逸。逃避免疫监视的癌细胞克隆被认为促进了肿瘤的进展。因此，监测免疫应答有助于阐明肿瘤细胞和免疫系统之间的关系，并有助于开发免疫靶向肿瘤或克服免疫治疗耐药性的策略。免疫测定和流式细胞术被广泛用于研究TME中的免疫反应。然而，由于其作为终点实验的固有性质，这些技术不适合纵向跟踪TME的变化。因此，获得空间分辨率来研究TME中与T细胞反应相关的问题仍然是主要的挑战。可以检测免疫细胞、免疫细胞因子和ROS的传感器技术也被开发出来。

多种纳米级显像剂可以监测免疫检查点受体的表达，包括PD1、PDL1、CTLA-4和LAG3，并通过PET、CT和MRI检测TME中的免疫细胞。这种试剂通常是通过将放射性标记物或顺磁性纳米粒子与配体偶联来构建的，这些配体可以特异性地结合到免疫检查点生物标志物上，并能够在TME内对这些生物标志物进行高分辨率空间成像。

基于电化学适配体的生物传感器能够在体内进行实时分子测量，用于药效学研究和非癌症疾病模型的生物标志物监测。这些传感器使用电化学来检测电极结合，氧化还原报告修饰的适配子中结合诱导的构象变化。受体对小分子靶点的识别引起构象变化，影响电子传递速率，从而改变电化学信号的强度。通过结合免疫检查点受体(如PDL1)和免疫细胞受体(如CD16)特异性适配子，该传感器平台可应用于癌症特异性药效学研究。

结论和展望：

了解癌症生态系统内复杂的相互作用对于建立癌症生物学的系统观、发现新的治疗弱点、实现早期诊断和改善临床结局至关重要。为了解决癌症生物学中的复杂问题，需要结合工程师、生物学家和临床医师的专业知识的新方法。基于工程学的跨学科研究工具有望克服与传统肿瘤模型、检测和研究设计相关的局限性，因为这些工具可以更好地反映和监测肿瘤生态系统的异质性。从系统或细胞的角度来看，晚期肿瘤模型可以控制细胞间密度、结构、营养梯度、氧梯度、趋化因子梯度和物理力，并引入多种细胞类型和灌注血管。从细胞或分子的角度来看，光学、放射和电子纳米级技术已经被开发用于监测肿瘤细胞和体内的生物标志物。因此，工程方法提供了越来越强大的功能，包括建模和监测与TME相关的信号通路，以及检测具有时空分辨率的生物标志物。

许多突出的问题和问题仍未解决，为(纳米)工程师提供了转化的机会。例如，在精准预防领域，越来越多的证据表明，正常上皮内存在可能最终转变为恶性的突变细胞。持续监测生物标志物的新检测技术或简单的液体活检筛查方法的开发有可能使低容量或早期癌症检测成为可能。这些方法可用于患癌症易感遗传综合征(如家族性腺瘤性息肉病)或慢性炎症性疾病(如炎症性肠病)的高危人群。在癌症治疗中，可以开发出能够识别单个或小簇恶性细胞的高灵敏度和特异性的成像技术，以提高术中对残留癌细胞的识别，同时最大限度地减少需要切除大量正常组织以获得良好的切缘。生物工程方法和纳米材料可以系统地给药，然后回收，以纵向收集生物材料，例如核酸、蛋白质、代谢物甚至来自肿瘤的细胞，这些方法和纳米材料将有助于监测药物的递送和疗效。用于检测药物摄取、代谢和活性的组织可嵌入和可回收(或循环)传感器将是有益的。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37353679/

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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