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Cell Reports Physical Science | 全息聲鑷引導(dǎo)下肝癌細(xì)胞球向肝膽類(lèi)器官轉(zhuǎn)移模型的構(gòu)建
癌癥轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致患者長(zhǎng)期生存率下降的主要原因，構(gòu)建一個(gè)能真實(shí)還原癌癥轉(zhuǎn)移過(guò)程的體外模型，是當(dāng)前研究中的關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)的動(dòng)物模型和二維細(xì)胞模型在模擬癌癥轉(zhuǎn)移上仍存在明顯局限。近年來(lái)，三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)如類(lèi)器官和細(xì)胞球，為體外建模帶來(lái)了突破。然而，單一的類(lèi)器官或者細(xì)胞球難以還原癌癥轉(zhuǎn)移過(guò)程中多組織間的動(dòng)態(tài)互動(dòng)。類(lèi)組裝體（Assembloid）是一種由多種細(xì)胞類(lèi)型生成的具有空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜類(lèi)器官系統(tǒng)為模擬癌癥轉(zhuǎn)移提供了新路徑。但現(xiàn)有構(gòu)建方法，如3D打印和磁輔助組裝，存在選擇性差、毒性高等問(wèn)題，難以精準(zhǔn)還原轉(zhuǎn)移過(guò)程。因此，發(fā)展一種安全穩(wěn)定且高精度的新型技術(shù)，用于構(gòu)建真實(shí)可靠的癌癥轉(zhuǎn)移模型，顯得尤為迫切。
5月22日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院科學(xué)儀器所（籌）馬騰研究員團(tuán)隊(duì)和哈爾濱醫(yī)科大學(xué)田野教授團(tuán)隊(duì)合作在Cell旗下刊物?Cell Reports Physical Science上發(fā)表題為“Construction of a metastasis model for liver cancer spheroids to hepatobiliary organoids facilitated by holographic acoustic tweezers”的研究成果。該工作主要通過(guò)全息聲鑷科學(xué)儀器產(chǎn)生的具體生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，圍繞全息聲鑷和三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)構(gòu)建了類(lèi)器官-細(xì)胞球在線(xiàn)組裝平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)構(gòu)建了一種精準(zhǔn)、可靠且具有多功能性的肝癌轉(zhuǎn)移類(lèi)組裝體模型。此外，該研究還通過(guò)RNA測(cè)序技術(shù)評(píng)估了不同參數(shù)下聲壓對(duì)類(lèi)器官和細(xì)胞球基因?qū)用娴挠绊?，進(jìn)一步的優(yōu)化了操控參數(shù)。
在這項(xiàng)研究中，研究人員以主要聚焦于肝癌轉(zhuǎn)移模型，并開(kāi)發(fā)了一種組織工程技術(shù)—全息聲鑷（Holographic Acoustic Tweezers, HAT），通過(guò)個(gè)性化構(gòu)建多重復(fù)合聲場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肝癌細(xì)胞球的非接觸式、精準(zhǔn)操控。研究還利用人多功能干細(xì)胞（hiPSCs）誘導(dǎo)分化出可以同時(shí)表達(dá)肝臟和膽管結(jié)構(gòu)功能的肝膽類(lèi)器官（Hepatobiliary Organoids, HBOs），并利用表達(dá)綠色熒光蛋白（GFP）的人肝癌細(xì)胞系HuH-7構(gòu)建肝癌細(xì)胞球。同時(shí)，通過(guò)免疫熒光染色和RNA測(cè)序分析，系統(tǒng)評(píng)估了不同參數(shù)下三維聲場(chǎng)對(duì)肝膽類(lèi)器官和細(xì)胞球安全性的影響，并進(jìn)一步優(yōu)化了操控參數(shù)?；谌⒙曡嚭腿S細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了“類(lèi)器官-細(xì)胞球在線(xiàn)組裝平臺(tái)”（Organoid-Spheroid Online Assembly Platform, OSOAP），用于構(gòu)建體外單灶性及多灶性肝癌轉(zhuǎn)移模型，并通過(guò)免疫熒光與Bulk RNA測(cè)序驗(yàn)證模型的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該肝癌轉(zhuǎn)移模型可以可視化肝癌浸潤(rùn)周?chē)文懴到y(tǒng)的過(guò)程，并且可以上調(diào)表達(dá)肝癌轉(zhuǎn)移過(guò)程中特異性的信號(hào)通路。
為了展示該模型的多功能性和通用性，研究人員還在體外通過(guò)乙醇刺激構(gòu)建了可以表達(dá)酒精性肝病相關(guān)病理生理過(guò)程的類(lèi)器官。并通過(guò)該平臺(tái)評(píng)估了酒精性肝病（Alcoholic Liver Disease, ALD）類(lèi)器官與正常肝膽類(lèi)器官對(duì)肝癌細(xì)胞球侵襲的易感性。免疫熒光染色的定量分析顯示，肝癌細(xì)胞球?qū)凭愿尾☆?lèi)器官的浸潤(rùn)程度明顯大于對(duì)正常肝膽類(lèi)器官的浸潤(rùn)程度。
總結(jié)而言，該研究驗(yàn)證了三維聲場(chǎng)對(duì)三維細(xì)胞培養(yǎng)模型的基因安全性影響，并開(kāi)發(fā)了“類(lèi)器官-細(xì)胞球在線(xiàn)組裝平臺(tái)”（OSOAP），成功構(gòu)建了一個(gè)精準(zhǔn)、可靠且具有多功能性的肝癌轉(zhuǎn)移模型。本研究有望為癌癥轉(zhuǎn)移機(jī)制的研究提供一種全新的策略與平臺(tái)。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院實(shí)習(xí)碩士生李嘉龍是該論文的第一作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院馬騰研究員和鄭海榮研究員及哈爾濱醫(yī)科大學(xué)田野教授為該論文的通訊作者。該研究獲得醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家高性能醫(yī)療器械創(chuàng)新中心支持以及國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市科技項(xiàng)目、工業(yè)和信息化部制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)等基金資助。
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通過(guò)類(lèi)器官-細(xì)胞球在線(xiàn)組裝平臺(tái)構(gòu)建肝癌轉(zhuǎn)移模型示意圖
肝癌轉(zhuǎn)移模型的構(gòu)建以及細(xì)胞和基因?qū)用骝?yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
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