Terasaki 生物医学创新研究所 (TIBI) 的科学家开发了一种纳米工程生物墨水，具有改进的粘合和交联能力，用于肿瘤模型的 3D 生物打印。这种生物墨水的关键成分是合成锂皂石(Laponite)，一种高电荷、盘状晶体纳米粒子。正如他们最近在《生物制造》上发表的论文所解释的那样，这些纳米粒子被证明可以增强肿瘤微环境中发生的生物信号传导，从而可以创建更准确的肿瘤模型用于研究和抗肿瘤药物开发。
肿瘤微环境很复杂，具有支持性结缔组织基质，其中含有多种细胞成分，如肿瘤细胞、免疫细胞、器官特异性细胞和产生胶原蛋白的癌症相关成纤维细胞。此外，通过各种生物因素存在广泛的细胞间物理相互作用和交互信号传导，而这些生物因素很难以准确和有代表性的方式进行建模。
3D 生物打印的使用提供了一种创建体外肿瘤模型的通用方法，可以创建精确的 3D 组织结构。为了创建体外模型，打印机使用一种充满细胞的生物材料溶液，称为生物墨水，为目标组织定制。这项研究中的生物墨水由来自肿瘤微环境的癌细胞和正常细胞组成，这些细胞被嵌入生物相容性凝胶(通常是一种聚合物)中。这种细胞/凝胶混合物必须经过优化配制，以表现出准确再现肿瘤微环境的机械和生物功能特性。
为了实现这些特性，TIBI 团队选择甲基丙烯酰明胶 (GelMA) 作为其生物墨水的聚合物基础，这是一种生物相容性材料，具有可调节的结构稳定性和孔隙率特性，具有有利于细胞粘附和存活的结合位点。在 GelMA 中添加 Laponite 不仅可以在生物墨水中形成增强网络，还可以通过赋予剪切稀化特性(在压力下变形然后快速自我恢复的能力)来改善可打印性。在使用更高浓度的 GelMA 和 Laponite 时，该团队能够创造出剪切稀化特性显着改善的生物墨水。
在对其新型复合材料作为用于制造肿瘤模型的生物材料的初步测试中，科学家们制作了不同的 GelMA/Laponite 配方，并用它们封装人类胰腺癌细胞。确定了可提供最佳细胞活力的配方，并将其用于创建 3D 生物打印多细胞肿瘤模型。
这些多细胞模型是通过将成纤维细胞(对胰腺癌肿瘤进展至关重要的细胞)添加到 GelMA/Laponite/胰腺细胞生物墨水中而制成的。这些模型的测试表明，细胞具有良好的生存能力，特别是在合成锂皂石浓度较高的情况下。此外，还观察到较高浓度的锂皂石会增加两种细胞类型共聚集的大小和分布;这更全面地描述了天然胰腺肿瘤的结构及其对细胞间相互作用的促进。
研究小组继续研究 Laponite 对各种生物标志物基因表达的影响，这些生物标志物是胰腺癌肿瘤进展的促进剂或指标。他们发现，Laponite 浓度的增加可将肿瘤细胞生长因子以及重塑和细胞分化基因的产生上调 10-20 倍。
Laponite 对基因表达的影响在成纤维细胞上更为明显，其基因库整体上调，尤其是与生长因子相关的基因，增加了 60 倍。由于成纤维细胞通过这些生长因子的信号传导在胰腺肿瘤进展中发挥重要作用，因此这是 Laponite 影响力的重要证明。
释放的生物因子改善了癌细胞和成纤维细胞之间的信号传导，也增加了与细胞周期相关的基因的表达，特别是表明癌细胞增殖减少的基因。癌细胞增殖的减少被称为癌症休眠，是影响化疗耐药和治疗后癌症复发的因素之一。
“我们对 Laponite 对 3D 打印肿瘤模型的影响的研究表明，Laponite 不仅可以改善模型的机械特性，而且还可以选择性地影响肿瘤进展的生物信号传导，”Ali Khademhosseini 说。博士，TIBI 董事兼首席执行官。“这使我们能够重新创建更准确的不同类型的肿瘤模型，从而确定有效治疗药物的靶点。”
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