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尽管研究取得重大进展，但肿瘤的异质性仍然难以捉摸，其复杂性对抗癌药物的发现和癌症治疗构成障碍。不同患者对同一药物的反应而异，治疗时间是决定预后的一个重要因素。因此，开发能够在短时间内针对患者的临床前模型来预测患者的药物反应非常有必要。在本研究中，韩国浦项科技大学Jinah Jang等利用基于挤压的3D生物打印技术和包含患者来源的肿瘤块的组织特异性生物墨水，开发了一个打印胃癌（pGC）模型。pGC模型保留原始的肿瘤特征，并能够在从患者分离后2周内进行快速药物评。研究证实，与人胃成纤维细胞（hGaFibro）共培养的pGC组织的药物反应相关基因谱与患者组织相似。这表明，pGC模型的应用可能克服临床前模型中存在的准确药物评估的挑战，例如患者来源的异种移植。pGC模型在化疗反应和预后可预测性方面与患者表现出显著的相似性。因此，pGC模型被认为是一种很有前途的个性化和精确治疗的临床前工具。
相关研究内容以“Prediction of Patient Drug Response via 3D Bioprinted Gastric Cancer Model Utilized Patient-Derived Tissue Laden Tissue-Specific Bioink”为题于2025年1月2日发表在《Advanced Science》。
图1 使用患者来源的肿瘤组织特异性生物墨水和pGC模型的特征评估
pGC模型可以在两周内评估患者对单一或联合药物治疗的反应（图1A）。为精确操纵癌症行为，使用PDX组织作为一个替代的患者建立打印和最佳的培养条件。通过调整打印参数（例如，喷嘴尺寸、压力和打印速度），能够快速生成许多特定尺寸的副本（图1B、C）。不同的PDX组织以每体积10%或40%的重量（w/v）的浓度被封装在g-dECM中，而未封装在g-dECM中的PDX组织用100%（w/v）表示（图1D）。GC PDX组织在g-dECM中分别表现出不同的细胞增殖和细胞形态（图1E、F）。组织学染色证实聚集形态的差异：pGC-扩散组织聚集物与葡萄簇相似，而pGC-肠组织聚集物呈珠状（图1G）。以上研究结果表明，将少量的患者癌症组织与g-dECM混合生成生物墨水，然后打印大量复制的pGC组织，对细胞增殖和活力没有影响，并保留原始的癌症特征。
图2 使用pGC模型评估对基于5-FU和奥沙利铂的化疗的反应性
本文研究了三种抗癌药物（5-FU、多西他奇和奥沙利铂）在两种来自不同患者的具有独特癌症特征的pGC模型中的药物反应性。此外，pGC模型采用5-FU +奥沙利铂（FOx）方案治疗。当5-FU在pGC肠和pGC弥漫组织中以浓度为10、100和1000 μM处理时，药物毒性以浓度依赖的方式发生（图2A）。5-FU、多西他奇和奥沙利铂的IC50（最大抑制浓度）值在pGC-肠组织和pGC-弥漫性组织之间存在差异（图2B）。FOx方案在肠道和弥漫模型中均表现出肿瘤生长抑制（TGI）效应（图2C）。在pGC-肠组织中，50 μm 5-FU和5 μm奥沙利铂处理的细胞生长抑制率分别为12%和17%。相比之下，FOx方案治疗表现出62%的细胞生长抑制作用（图2D、E）。此外，5-FU和奥沙利铂联合治疗后，pGC-肠组织中凋亡标志物Annexin V的表达显著增加。在pGC模型中，当使用FOx方案治疗时，pGC-肠组织的耐药性高于pGC-弥漫性组织，与PDX模型的药物反应结果一致（图2C-E）。药物反应性评估结果表明，pGC模型可用于预测患者的药物反应性。
图3 用hGaFibro模型鉴定pGC中的5-FU响应相关特征
为了提出一个临床前模型，克服PDX或PDO模型在人类基质特性和基质细胞缺失方面的局限性，本研究生成了一个与pGC组织和初级hGaFibro的共培养模型，该模型更接近复制实际人类GC微环境（图3A）。与人hGaFibro共培养的pGC-肠道组织显示出更多的癌细胞聚集物，并且通过特异性标记物染色，可以预期癌细胞和hGaFibro之间存在细胞间的串扰（图3B）。当与成纤维细胞共培养时，pGC-肠组织和pGC-弥漫性组织对5- FU的耐药性分别增加3倍和4倍（图3C）。此外，在与hGaFibro共培养的模型中，半抑制浓度值极高（>2mM）（图3C）。为了研究其原因，本研究分析了成纤维细胞在pGC-肠组织中的基因和蛋白表达谱（pGC与hGaFibro；图3D-G）。RNA测序研究pGC-肠道组织中的差异表达基因（DEGs），发现有成纤维细胞的pGC比无成纤维细胞的pGC有1015个上调基因（图3D）。在pGC-肠组织的癌细胞聚集物中观察到细胞连接和上皮细胞标记物E-钙粘蛋白的不同表达，而与成纤维细胞共培养后，具有代表性的EMT蛋白波形蛋白的表达显著增加（图3G）。以上数据表明，间质和癌细胞之间的相互作用在药物反应中发挥重要作用，从而突出间质和癌细胞之间的相互作用在药物评价中的重要性。
图4 用hGaFibro模型在pGC中与化疗反应性相关的综合基因表达谱
在胃癌患者中，与药物反应相关的32个基因中有20个表达，患者肿瘤组织-pGC与hGaFibro模型之间的相似性高于患者肿瘤组织-PDX肿瘤组织（图4A）。当从患者癌症组织中生成PDX模型时，癌症增殖、进展和药物反应相关的基因表达减少，而在与hGaFibro共培养的pGC组织中则得到恢复（图4B）。在hGaFibro模型中，PDX肿瘤组织和pGC的GSEA结果显示，pGC中Wnt-、Notch-和EMT相关基因富集（图4C）。与PDX肿瘤相比，pGC与hGaFibro模型中上调的DEGs的蛋白-蛋白相互作用（PPI）网络显示“PI3K-Akt信号”、“癌症中的蛋白多糖”和“胃癌”基因集的显著富集（图4E）。因此，结果表明pGC模型通过与成纤维细胞共培养，改善了癌细胞和ECM之间的相互作用。
图5 在pGC活检组织模型中对5-FU和奥沙利铂化疗的反应性研究
从胃癌患者活检中获得的少量GC组织与g-dECM混合，打印生成pGC-活检组织模型。本研究通过将患者的肿瘤组织封装在g-dECM中，缩短培养时间。在Matrigel的pGC-活检组织中，当5-FU处理的药物浓度分别为10 μM和100 μM时，未观察到细胞毒性。相反，在g-dECM的pGC活检组织中，5-FU的细胞毒性在10 μM时为18%，在100 μM时为28%（图5E i）。根据浓度的不同，Matrigel的药物毒性很小，而g-dECM在10 μm时表现出14%的细胞毒性，在100 μm时表现出35%的细胞毒性，超过5-FU（图5E ii）。本研究预计，打印的癌症模型将作为一个有价值的工具，以快速、准确地预测患者的药物反应（图5F）。
全文小结
综上所述，本研究开发的3D生物打印式患者特异性药物反应预测模型可用于评估患者使用实际肿瘤组织进行化疗前的药物敏感性，并为每个患者确定合适的药物。未来的研究可能会对免疫治疗的快速评估提出挑战，即使用患者的活检或手术组织创建pGC模型。最重要的是，该模型可以有助于减少无反应者的药物使用，进一步改善患者的预后和最小化副作用。总的来说，本研究建立了一种快速、经济有效、可扩展和持续可重复的方法，用于开发可用于药物反应评估的pGC模型，希望它能用于新药的发现，药物组合的疗效验证，以及个性化靶向治疗的发展。
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