Microsyst Nanoeng重磅突破！新型生物打印技术精准模拟胶质母细胞瘤异质性，助力药物高效评估

在医药科研的前沿领域，如何精准模拟肿瘤内部环境，为抗癌药物的研发提供可靠的测试模型，一直是科学家们致力于攻克的难题。近期，Microsyst Nanoeng的一项创新研究Bioprinting of a multi-composition array to mimic intra-tumor heterogeneity of glioblastoma for drug evaluation通过开发新型微挤出生物打印技术，成功构建出能模拟胶质母细胞瘤肿瘤内异质性的多成分阵列，为药物评估开辟了新路径。

微挤出打印技术在微器件制造、微生理系统构建以及生物构造领域应用广泛，它能够精确打造出包含多种材料的微观图案和结构，为细胞培养和分析构建复杂的体外模型。然而，在实际操作中，当使用小体积生物墨水制造多个体外模型时，会面临水凝胶扩散和蒸发的问题。随着打印时间增加，挤出的小体积生物墨水会在基底表面扩散，同时水凝胶中的水分子会蒸发。这不仅降低了打印的分辨率，使得难以精确制造出理想的几何形状，还会导致细胞活力下降，使得大规模生产基于小体积生物墨水的体外模型变得极为困难。此前，虽有通过降低打印基板温度或修饰基板表面来缓解这些问题的方法，但它们会对细胞活力产生影响，并且增加了制造体外模型的复杂程度。

为解决上述难题，研究团队对微挤出打印系统进行了定制化改造。在打印头部分安装了打印喷嘴和气溶胶管，单成分生物墨水打印采用30号钝头注射器喷嘴，多成分阵列打印则使用特制的多筒喷嘴，该喷嘴能够连续挤出多达七种生物墨水。同时，研究人员精心制备了多种实验材料，包括2%藻酸盐-RGD水凝胶墨水、不同浓度用于交联的CaCl₂溶液，以及将U87MG或T98G细胞与藻酸盐-RGD混合而成的GBM生物墨水，所有材料均经过0.2 μm滤器严格灭菌。

图 1：使用交联气溶胶制造小体积水凝胶阵列的稳定微挤出打印技术概念

通过设计10×10的阵列模型进行对比实验，研究人员发现，10% CaCl₂气溶胶在打印过程中发挥了关键作用。在没有气溶胶的情况下，水凝胶点迅速干燥、扩散，无法满足体外模型的构建需求。而在10% CaCl₂气溶胶的作用下，水凝胶点的形状在400秒的长时间打印过程中得以良好维持，约97%的水凝胶点能够稳定附着在基板上。利用该技术，研究团队成功在400秒内制造出600个水凝胶点，产率高达99.83 ± 0.17%。

图 2：建立小体积、大规模水凝胶阵列的稳定打印技术

借助多生物墨水打印系统，研究人员通过多筒喷嘴和雾化管的协同作用，成功打印出具有多种异质图案的多成分阵列，包括条纹图案和梯度图案阵列。通过精确控制气动压力，不同成分的墨水能够按照预定轨迹依次挤出，实现了复杂多样的阵列构建，为后续研究提供了丰富的模型选择。

对比有无气溶胶打印的GBM阵列，有气溶胶打印的阵列在培养过程中，细胞-水凝胶点附着更加稳定，细胞活力更高，表明该阵列能够为细胞提供适宜的生存环境，具备良好的生物相容性。

图 3：生物打印的 GBM 阵列的细胞活力测试

研究团队构建的多成分GBM阵列由100种不同比例的U87MG和T98G细胞组成，能够精准模拟肿瘤内异质性。使用790 μM替莫唑胺（TMZ）处理后，研究人员发现随着U87MG细胞比例的增加，细胞活力显著降低，且TMZ组细胞组成与细胞活力呈现出更强的负相关性，这表明该阵列在药物疗效评估方面具有显著的有效性。

总体而言，这项研究通过微挤出生物打印技术，融合多生物墨水打印和气溶胶交联技术，成功克服了传统微挤出打印的诸多难题，实现了小体积多成分水凝胶阵列的稳定制造。构建出的多成分GBM阵列，能够精准模拟肿瘤内异质性，为抗癌药物疗效评估提供了更为可靠的体外系统。这一创新技术的出现，为攻克胶质母细胞瘤等癌症带来了新的希望，有望推动抗癌药物研发领域取得重大突破，为患者带来更多的治疗选择和生存希望。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Lee G, Kim SJ, Choi Y, Park J, Park JK. Bioprinting of a multi-composition array to mimic intra-tumor heterogeneity of glioblastoma for drug evaluation. Microsyst Nanoeng. 2024;10(1):186. Published 2024 Dec 11. doi:10.1038/s41378-024-00843-w