科學家使用生物3D打印和計算機建模來預測癌癥增長

魔猴君  行業資訊   1666天前

治療癌癥已有數百年歷史，研究人員在學習如何預防，診斷，治療這個世界上最大的殺手，在更復雜細節方面取得了重大進展。從成功的免疫療法到精密醫學的日益增長的作用，這些重大進展正在幫助臨床醫生挽救生命。但是，每年約有1400萬新病例，近1000萬人死亡，很難說抗癌斗爭已接近勝利。此外，專家認為，一旦癌癥從人體內的一個部位擴散或轉移到另一個部位，存活的機會就降低到10％，這使其成為該病最致命的特征。

到目前為止，系統轉移的管理一直缺乏進展，但是勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家開發了一種獨特的方法，他們相信這將有助于臨床醫生和研究人員預測癌癥在個體患者中的傳播。通過將生物3D打印技術與先進的計算流程模擬結合，一個專家組認為，它們為開發預測能力以了解腫瘤細胞附著在血管上奠定了基礎，這是癌癥轉移過程中繼發性腫瘤形成的第一步。

該發現在《科學進展》雜志上發表的一篇論文中進行了描述，是一種針對生物過程訓練計算模型的新方法，并提供了有關癌細胞如何以及為何在脈管系統某些區域進行轉移的見解。 LLNL研究人員使用定制的基于擠壓的生物打印機，以3D方式打印了人腦活體脈管系統，并將其與先進的計算模擬配對，以解決癌癥通過轉移擴散所涉及的物理問題。

使用犧牲墨水方法對具有復雜幾何形狀的內皮化血管床進行生物打印。 （圖片由克萊爾·羅伯森/ LLNL提供）

根據該研究的主要研究者和LLNL生物打印的脈管系統裝置的首席研究員LLNL生物醫學工程師Monica Moya的說法，腫瘤細胞傾向于從原發腫瘤中逃逸并穿過脈管系統，最終它們附著在血管壁上，并通過內皮進入組織并像土壤中的種子一樣生長，通常在血管中的叉子等區域。但是，通過結合生物工程學和計算方法來分析循環腫瘤細胞（CTC）行為以及細胞與血管內皮細胞（位于血管內表面的細胞層）結合的物理原理，該團隊提供了新的見解基本的CTC流動動力學和附著行為。

“計算建模絕對是一個有用的工具，但是您仍然需要將其與實際情況進行基準比較?！?Moya說， “通過這種方法，我們可以根據驗證模型的需要，使生物學變得簡單而干凈，并且可以增加生物學和計算模型的復雜性。物理學在生物學中很重要，本文確實為您提供了如何使用這些體外模型和模擬的框架，以梳理生物學和物理學的貢獻，并確實為該領域所缺乏的力量提供了力量。 ”

據中國3D打印網了解，科學家通常使用動物模型來了解物理學如何促進癌癥轉移，但是這些模型并不完全有用或與人類生物學無關。相反，她的團隊通過在人腦內皮細胞中3D打印脈管系統并使其在流體平臺中處于流動狀態，創建了一個體外系統。細胞完全覆蓋設備的通道后，在血管內對齊，大約一周后，研究人員將乳腺癌細胞系注入設備中，以觀察腫瘤細胞如何以及在何處開始在新形成的腦血管系統內轉移。專家認為，大腦的某些區域更容易發生乳腺癌轉移，但是對局部敏感性的機制仍知之甚少，無法預防，這就是為什么這項研究對于了解乳腺癌細胞一旦發生轉移的行為至關重要。

CTC的附著位點顯示脫細胞（B）和內皮化（A）通道之間的差異。

與內皮化相比，完整的無細胞血管床表現出更大的CTC負擔。 （圖片由克萊爾·羅伯森/ LLNL提供）

研究人員說，在腫瘤細胞以生理流速循環之后，勞倫斯研究員克萊爾·羅伯森（Claire Robertson）致力于早期乳腺癌模型的開發，繪制了6000多個粘附在血管壁上的細胞，并將其與局部生物物理學進行了比較。然后，將這些實驗結果與復制從3D地圖收集的幾何圖形的3D計算仿真進行比較，以重現生物打印血管的精確幾何圖形，從而能夠對附著條件進行高精度的流體動力學分析。

主要作者和LLNL研究人員工程師說：“采用這種先進的生物打印方法來工程化功能性，可灌輸的人腦血管系統極具挑戰性，但是我們現在對該技術有很強的掌控力，并且有可能制造出各種各樣的活體人體組織構造。使用這種方法，我們能夠測試，觀察和測量以前不可能的生物學現象，我們將繼續對這些發現進行迭代，以闡明循環腫瘤細胞如何以及何時在體內選擇其靶標。通過將我們的工程平臺與計算模型配對，我們可以直接詢問轉移細胞的行為以及控制轉移細胞的規則，這要比單獨進行實驗快得多?！?/span>

點評：這種新方法可以使研究人員將驅動器官轉移定殖的生物學和物理作用分離開來。研究人員預計，該模擬將用于預測腫瘤擴散的位置，從而有針對性地篩查高危患者并針對最脆弱的地區進行治療性干預。根據Moya的說法，這可以為臨床醫生提供另一種治療患者的方法，使他們可以使用MRI來模擬循環腫瘤細胞可能卡住的位置，從而集中精力集中精力以大大提高治療效果。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/39620.html