Adv Mater：脑胶质母细胞瘤和血脑屏障的生物材料和生物3D打印策略

美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）纳米工程系主任Shaochen Chen教授（点击查看介绍）课题组在Advanced Materials 期刊发表了题为“Biomaterials and 3D Bioprinting Strategies to Model Glioblastoma and the Blood–Brain Barrier”的综述文章，该论文第一作者为UCSD博士生汤忞，通讯作者为Shaochen Chen教授。

脑胶质母细胞瘤（GBM）是成人中枢神经系统中最常见致命的原发性癌症。GBM 具有免疫抑制性、高度异质性，血脑屏障（BBB）和大脑独特的生化和解剖特征也会限制化疗或免疫疗法的疗效，导致GBM 整体复发率高、预后差。此文总结了生物3D打印在GBM和BBB体外建模的最新进展，提出了结合生物3D打印和生物材料的策略来实现体外构建GBM-BBB组合模型的概念及对标准化3D模型的建议。文章内容主要包括以下部分：

1. 脑胶质母细胞瘤和血脑屏障的微环境

这部分包括了脑胶质母细胞瘤及血脑屏障的微环境解析：（1）细胞和细胞外基质（ECM）组成；（2）细胞及ECM的结构及组合；（3）组合后的微环境所具备的生物物理或生化特性。

GBM的肿瘤微环境中有大量不同种类细胞组成（下图），其中包括肿瘤相关巨噬细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞、神经元、间充质干细胞和组成血管的细胞。

BBB的细胞成分包括脑微血管内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞和神经元，它们共同形成了中枢神经系统的功能性神经血管单位（下图）。

文中还总结了分别存在于脑胶质母细胞瘤、血脑屏障、及脑内的主要ECM成分及它们的作用（表1、2）。

2. 生物材料介绍

构建仿生3D模型需要使用具有良好的生物相容性和组织特异性的生物材料。生物材料需具备适当的生物物理特性、生化特性、降解动力学。文中依照与脑ECM的相关性、3D生物打印的适用性的顺序介绍主要的生物材料（表3）。

3. 生物3D技术介绍

生物3D打印能实现高分辨率，高重复性，并且可个性化定制，目前已成为生物医学领域的重要工具。主要的生物打印方法包括：喷墨式、挤出式和光辅助式（包含双光子、数字光处理、层析成像等）生物打印（下图）。文中总结了各项方法的优缺点、特点如精度、速度、打印材料的要求等（表4）。

4. GBM和BBB的生物3D打印

生物3D打印被广泛用于构建各种癌症模型，如乳腺癌、胰腺癌、肝癌、卵巢癌和转移模型等。这一部分总结了使用3D打印构建的GBM、BBB模型，并分析各种模型可能解决的生物学问题。3D打印的单培养GBM模型适用于肿瘤与ECM的相互作用（下图）。

双培养的3D模型是肿瘤微环境的简化版（下图），可以揭示特定细胞间的相互作用，并可以用于在体外筛选靶向特定间质细胞的治疗方法。

多细胞GBM模型是由肿瘤细胞和多种间质细胞类型组成的GBM模型，是高度重现GBM异质性的体外模型（下图）。在多细胞模型中，可以研究细胞-细胞和细胞-基质相互作用，可以重现肿瘤生长和侵袭模式，获得3D培养的肿瘤转录组谱，进行肿瘤体外药敏试验，提出个性化的治疗建议，并预测临床结果。这些模型可用于高通量的药物筛选和CRISPR筛选，有极高的临床价值。

目前用于模拟BBB的生物3D打印主要是利用该技术开发更接近于真实、复杂生物结构的微流控设备，与传统的微流控技术相比降低了操作时间和成本（下图）。

5. 总结与展望

为了进一步扩展生物3D打印在生物医学领域的应用，研究者们应当致力于开发更合适的生物墨水、并且提高现有的生物3D打印技术水平。作者还提出需要为3D模型建立标准化评估方法，为临床有效性相关的功能参数建立定性和定量的标准；功能参数包括基因组、转录谱、药物反应、BBB的屏障特性、GBM的侵袭性或肿瘤发生能力等。在获得大量数据后，研究人员们将了解如何使用最简化的方法来最优化地构建仿生组织，从而在不影响体外模型仿生性的前提下降低研究成本和时间。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Biomaterials and 3D Bioprinting Strategies to Model Glioblastoma and the Blood–Brain Barrier

Min Tang, Jeremy N. Rich, Shaochen Chen

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004776

导师介绍

Shaochen Chen

https://www.x-mol.com/university/faculty/215015