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科学家使用生物3D打印和计算机建模来预测癌症增长

创建时间:2020-09-10  阅读数:

       治疗癌症已有数百年历史,研究人员在学习如何预防,诊断,治疗这个世界上最大的杀手,在更复杂细节方面取得了重大进展。从成功的免疫疗法到精密医学的日益增长的作用,这些重大进展正在帮助临床医生挽救生命。但是,每年约有1400万新病例,近1000万人死亡,很难说抗癌斗争已接近胜利。此外,专家认为,一旦癌症从人体内的一个部位扩散或转移到另一个部位,存活的机会就降低到10%,这使其成为该病最致命的特征。


       到目前为止,系统转移的管理一直缺乏进展,但是劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家开发了一种独特的方法,他们相信这将有助于临床医生和研究人员预测癌症在个体患者中的传播。通过将生物3D打印技术与先进的计算流程模拟结合,一个专家组认为,它们为开发预测能力以了解肿瘤细胞附着在血管上奠定了基础,这是癌症转移过程中继发性肿瘤形成的第一步。


       该发现在《科学进展》杂志上发表的一篇论文中进行了描述,是一种针对生物过程训练计算模型的新方法,并提供了有关癌细胞如何以及为何在脉管系统某些区域进行转移的见解。 


       LLNL研究人员使用定制的基于挤压的生物打印机,以3D方式打印了人脑活体脉管系统,并将其与先进的计算模拟配对,以解决癌症通过转移扩散所涉及的物理问题。

使用牺牲墨水方法对具有复杂几何形状的内皮化血管床进行生物打印

  使用牺牲墨水方法对具有复杂几何形状的内皮化血管床进行生物打印。 (图片由克莱尔·罗伯森/ LLNL提供)


       根据该研究的主要研究者和LLNL生物打印的脉管系统装置的首席研究员LLNL生物医学工程师Monica Moya的说法,肿瘤细胞倾向于从原发肿瘤中逃逸并穿过脉管系统,最终它们附着在血管壁上,并通过内皮进入组织并像土壤中的种子一样生长,通常在血管中的叉子等区域。但是,通过结合生物工程学和计算方法来分析循环肿瘤细胞(CTC)行为以及细胞与血管内皮细胞(位于血管内表面的细胞层)结合的物理原理,该团队提供了新的见解基本的CTC流动动力学和附着行为。


        “计算建模绝对是一个有用的工具,但是您仍然需要将其与实际情况进行基准比较。” Moya说, “通过这种方法,我们可以根据验证模型的需要,使生物学变得简单而干净,并且可以增加生物学和计算模型的复杂性。物理学在生物学中很重要,本文确实为您提供了如何使用这些体外模型和模拟的框架,以梳理生物学和物理学的贡献,并确实为该领域所缺乏的力量提供了力量。 ”


       据中国3D打印网了解,科学家通常使用动物模型来了解物理学如何促进癌症转移,但是这些模型并不完全有用或与人类生物学无关。相反,她的团队通过在人脑内皮细胞中3D打印脉管系统并使其在流体平台中处于流动状态,创建了一个体外系统。细胞完全覆盖设备的通道后,在血管内对齐,大约一周后,研究人员将乳腺癌细胞系注入设备中,以观察肿瘤细胞如何以及在何处开始在新形成的脑血管系统内转移。专家认为,大脑的某些区域更容易发生乳腺癌转移,但是对局部敏感性的机制仍知之甚少,无法预防,这就是为什么这项研究对于了解乳腺癌细胞一旦发生转移的行为至关重要。


CTC的附着位点显示脱细胞

       CTC的附着位点显示脱细胞(B)和内皮化(A)通道之间的差异。与内皮化相比,完整的无细胞血管床表现出更大的CTC负担。 (图片由克莱尔·罗伯森/ LLNL提供)


        研究人员说,在肿瘤细胞以生理流速循环之后,劳伦斯研究员克莱尔·罗伯森(Claire Robertson)致力于早期乳腺癌模型的开发,绘制了6000多个粘附在血管壁上的细胞,并将其与局部生物物理学进行了比较。然后,将这些实验结果与复制从3D地图收集的几何图形的3D计算仿真进行比较,以重现生物打印血管的精确几何图形,从而能够对附着条件进行高精度的流体动力学分析。


       主要作者和LLNL研究人员工程师说:“采用这种先进的生物打印方法来工程化功能性,可灌输的人脑血管系统极具挑战性,但是我们现在对该技术有很强的掌控力,并且有可能制造出各种各样的活体人体组织构造。使用这种方法,我们能够测试,观察和测量以前不可能的生物学现象,我们将继续对这些发现进行迭代,以阐明循环肿瘤细胞如何以及何时在体内选择其靶标。通过将我们的工程平台与计算模型配对,我们可以直接询问转移细胞的行为以及控制转移细胞的规则,这要比单独进行实验快得多。”


       中国3D打印网点评:这种新方法可以使研究人员将驱动器官转移定殖的生物学和物理作用分离开来。研究人员预计,该模拟将用于预测肿瘤扩散的位置,从而有针对性地筛查高危患者并针对最脆弱的地区进行治疗性干预。根据Moya的说法,这可以为临床医生提供另一种治疗患者的方法,使他们可以使用MRI来模拟循环肿瘤细胞可能卡住的位置,从而集中精力集中精力以大大提高治疗效果。