科學(xué)家使用生物3D打印和計(jì)算機(jī)建模來預(yù)測癌癥增長

魔猴君  行業(yè)資訊   1523天前

治療癌癥已有數(shù)百年歷史，研究人員在學(xué)習(xí)如何預(yù)防，診斷，治療這個(gè)世界上最大的殺手，在更復(fù)雜細(xì)節(jié)方面取得了重大進(jìn)展。從成功的免疫療法到精密醫(yī)學(xué)的日益增長的作用，這些重大進(jìn)展正在幫助臨床醫(yī)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(rèn)為，一旦癌癥從人體內(nèi)的一個(gè)部位擴(kuò)散或轉(zhuǎn)移到另一個(gè)部位，存活的機(jī)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(tǒng)轉(zhuǎn)移的管理一直缺乏進(jìn)展，但是勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家開發(fā)了一種獨(dú)特的方法，他們相信這將有助于臨床醫(yī)生和研究人員預(yù)測癌癥在個(gè)體患者中的傳播。通過將生物3D打印技術(shù)與先進(jìn)的計(jì)算流程模擬結(jié)合，一個(gè)專家組認(rèn)為，它們?yōu)殚_發(fā)預(yù)測能力以了解腫瘤細(xì)胞附著在血管上奠定了基礎(chǔ)，這是癌癥轉(zhuǎn)移過程中繼發(fā)性腫瘤形成的第一步。

該發(fā)現(xiàn)在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表的一篇論文中進(jìn)行了描述，是一種針對生物過程訓(xùn)練計(jì)算模型的新方法，并提供了有關(guān)癌細(xì)胞如何以及為何在脈管系統(tǒng)某些區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)移的見解。 LLNL研究人員使用定制的基于擠壓的生物打印機(jī)，以3D方式打印了人腦活體脈管系統(tǒng)，并將其與先進(jìn)的計(jì)算模擬配對，以解決癌癥通過轉(zhuǎn)移擴(kuò)散所涉及的物理問題。

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

根據(jù)該研究的主要研究者和LLNL生物打印的脈管系統(tǒng)裝置的首席研究員LLNL生物醫(yī)學(xué)工程師Monica Moya的說法，腫瘤細(xì)胞傾向于從原發(fā)腫瘤中逃逸并穿過脈管系統(tǒng)，最終它們附著在血管壁上，并通過內(nèi)皮進(jìn)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(qū)域。但是，通過結(jié)合生物工程學(xué)和計(jì)算方法來分析循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）行為以及細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞（位于血管內(nèi)表面的細(xì)胞層）結(jié)合的物理原理，該團(tuán)隊(duì)提供了新的見解基本的CTC流動動力學(xué)和附著行為。

“計(jì)算建模絕對是一個(gè)有用的工具，但是您仍然需要將其與實(shí)際情況進(jìn)行基準(zhǔn)比較。” Moya說， “通過這種方法，我們可以根據(jù)驗(yàn)證模型的需要，使生物學(xué)變得簡單而干凈，并且可以增加生物學(xué)和計(jì)算模型的復(fù)雜性。物理學(xué)在生物學(xué)中很重要，本文確實(shí)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(xué)和物理學(xué)的貢獻(xiàn)，并確實(shí)為該領(lǐng)域所缺乏的力量提供了力量。 ”

據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，科學(xué)家通常使用動物模型來了解物理學(xué)如何促進(jìn)癌癥轉(zhuǎn)移，但是這些模型并不完全有用或與人類生物學(xué)無關(guān)。相反，她的團(tuán)隊(duì)通過在人腦內(nèi)皮細(xì)胞中3D打印脈管系統(tǒng)并使其在流體平臺中處于流動狀態(tài)，創(chuàng)建了一個(gè)體外系統(tǒng)。細(xì)胞完全覆蓋設(shè)備的通道后，在血管內(nèi)對齊，大約一周后，研究人員將乳腺癌細(xì)胞系注入設(shè)備中，以觀察腫瘤細(xì)胞如何以及在何處開始在新形成的腦血管系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)移。專家認(rèn)為，大腦的某些區(qū)域更容易發(fā)生乳腺癌轉(zhuǎn)移，但是對局部敏感性的機(jī)制仍知之甚少，無法預(yù)防，這就是為什么這項(xiàng)研究對于了解乳腺癌細(xì)胞一旦發(fā)生轉(zhuǎn)移的行為至關(guān)重要。

CTC的附著位點(diǎn)顯示脫細(xì)胞（B）和內(nèi)皮化（A）通道之間的差異。

與內(nèi)皮化相比，完整的無細(xì)胞血管床表現(xiàn)出更大的CTC負(fù)擔(dān)。 （圖片由克萊爾·羅伯森/ LLNL提供）

研究人員說，在腫瘤細(xì)胞以生理流速循環(huán)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(fā)，繪制了6000多個(gè)粘附在血管壁上的細(xì)胞，并將其與局部生物物理學(xué)進(jìn)行了比較。然后，將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與復(fù)制從3D地圖收集的幾何圖形的3D計(jì)算仿真進(jìn)行比較，以重現(xiàn)生物打印血管的精確幾何圖形，從而能夠?qū)Ω街鴹l件進(jìn)行高精度的流體動力學(xué)分析。

主要作者和LLNL研究人員工程師說：“采用這種先進(jìn)的生物打印方法來工程化功能性，可灌輸?shù)娜四X血管系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性，但是我們現(xiàn)在對該技術(shù)有很強(qiáng)的掌控力，并且有可能制造出各種各樣的活體人體組織構(gòu)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(xué)現(xiàn)象，我們將繼續(xù)對這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)行迭代，以闡明循環(huán)腫瘤細(xì)胞如何以及何時(shí)在體內(nèi)選擇其靶標(biāo)。通過將我們的工程平臺與計(jì)算模型配對，我們可以直接詢問轉(zhuǎn)移細(xì)胞的行為以及控制轉(zhuǎn)移細(xì)胞的規(guī)則，這要比單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)快得多。”

點(diǎn)評：這種新方法可以使研究人員將驅(qū)動器官轉(zhuǎn)移定殖的生物學(xué)和物理作用分離開來。研究人員預(yù)計(jì)，該模擬將用于預(yù)測腫瘤擴(kuò)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(qū)進(jìn)行治療性干預(yù)。根據(jù)Moya的說法，這可以為臨床醫(yī)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(huán)腫瘤細(xì)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