Perfusable Three-Dimensional Polyurethane (PU) Scaffold Platform Promotes Multicellular Tumor Spheroid (MCTS) Formation of U87 Glioblastoma for Tumor Microenvironment Modeling
本研究展示了一种具有仿脑机械性能和互连孔隙的仿生、可灌注三维聚氨酯支架，该支架能够支持 U87 胶质母细胞瘤多细胞肿瘤球的长期形成、活力以及药物响应性生长，用于先进的肿瘤微环境建模和临床前治疗筛选。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
脑癌是一个可怕的对手，不仅因为其生长极其凶猛，更因为它擅长伪装。最常见且最具致命性的形式被称为胶质母细胞瘤（glioblastoma），它在脑内一个复杂的、三维的世界中茁壮成长。几十年来，科学家们一直试图在实验室中使用扁平的二维培养物来研究这种疾病，即细胞像涂在塑料皿上的单层油漆一样铺开。虽然这种方法让我们了解了许多关于细胞分裂的知识，但它未能捕捉到这种疾病的真实本质。在活体生物体内，肿瘤细胞并不是呈平面排列的；它们聚集在一起，互相挤压，并与包括血管和免疫细胞在内的周围环境进行相互作用。这个三维的“邻里环境”，通常被称为肿瘤微环境，决定了癌症如何生长、如何产生耐药性以及如何扩散。由于缺乏一种能够模拟这种复杂结构的方法，许多新药在实验室中看起来很有前景，但在人体测试时却宣告失败，这使得研究人员不得不寻找一种更好的方式，以观察疾病真实存在的模样。
为了解决这个问题，来自纽约理工学院和阿肯色大学医学科学中心的科研团队开发了一种新工具，旨在模拟脑肿瘤的物理家园。他们制造了一种由一种称为聚氨酯（polyurethane）的微小多孔珠子组成的支架。想象一下，一个由成千上万个微观互连的小球组成的“海绵”，每个小球上都有贯穿其中的孔洞。这个结构不仅仅是一个容器，它是一个经过精心设计的环境。研究人员发现，这些珠子上的孔径约为250微米，这个尺寸允许细胞自由进出，同时确保氧气和营养物质能够深入结构内部。更重要的是，这种材料既柔软又具有弹性，匹配了实际脑组织的硬度。这是一个至关重要的细节，因为脑细胞对周围环境的硬度非常敏感；如果环境过于坚硬，细胞的行为就会与在真实人类大脑中的行为不符。通过匹配大脑的纹理和柔软度，该支架为癌症展示其自然行为提供了一个真实的舞台。
研究人员使用U87胶质母细胞瘤细胞（实验室中常用的标准脑癌细胞类型）测试了这个新平台，并观察了它们在一个月内的反应。在短短两天内，细胞开始粘附在珠子上并形成小集群。到第一周结束时，这些集群已经生长成了明显的、圆形的细胞团，即多细胞肿瘤球体（multicellular tumor spheroids）。这些球体非常重要，因为它们会自然地形成不同的区域，就像真实的肿瘤一样：外层是活跃的细胞，而中心区域由于营养难以到达，则分布着休眠或死亡的细胞。该支架极好地支持了这种生长。即使在四周后，细胞依然保持健康，存活率保持在70%到84%之间（取决于初始接种的细胞数量）。这比传统方法有了显著改进，在传统方法中，由于无法支撑自身的重量或获得足够的食物，这类结构往往会迅速坍塌或死亡。
为了确保该平台能用于药物测试，团队使用替莫唑胺（temozolomide，治疗胶质母细胞瘤的标准药物）处理了生长的球体。他们观察到药物确实有效，但并没有在简单的扁平培养皿中表现得那么剧烈。在24小时后，活细胞数量下降到约68%，在48小时后进一步降至约61%。这一结果符合预期，且极具价值；它证明了该支架创造了一个屏障，模拟了真实肿瘤吸收药物的难度。在扁平培养皿中，药物会瞬间作用于每个细胞；而在这种三维支架中，药物必须穿过一层层的细胞才能发挥作用，正如它在人体内的运作方式一样。这种较慢且更真实的反应表明，该平台可以帮助科学家预测药物在患者体内的实际效果，从而通过过滤掉那些可能在临床试验阶段失败的疗法，节省时间和资源。
研究结论指出，这种多孔珠子系统提供了一种可靠且可重复的方法，可以在实验室中培育出看起来并感觉起来都更接近真实的脑肿瘤。研究人员指出，当他们从特定数量的细胞开始，并让它们生长两周后再进行测试时，效果最好，因为这一条件允许球体在不会因饥饿而死亡的情况下成熟。虽然目前的设置使用的是单一类型的细胞系，但其设计具有灵活性，未来可以包含其他细胞类型（如免疫细胞或血管构建细胞），以创建一个更完整的肿瘤“邻里”模型。最终目标是将这些珠子整合到更大的机器中，通过它们泵入新鲜营养物质，从而模拟血流，实现更长时间、更准确的研究。通过为癌细胞提供一个稳定、柔软且多孔的家园，这种新支架帮助科学家超越了扁平、不真实的模型，向更深入理解胶质母细胞瘤如何生存及抵抗治疗迈进。
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