“ 癌癥晚期 ” 這四個字曾讓無數家庭陷入絕望。盡管現代醫學取得了顯著進展，但對晚期癌癥（尤其是腹膜轉移 Peritoneal Metastases , PM ）的治療仍面臨巨大挑戰。最近，新加坡國立大學的Eliza Fong教授與新加坡國立癌癥中心的Johnny Ong醫生聯合領導的研究團隊發布了一項突破性研究：他們開發出了一種基于透明質酸（Hyaluronic acid, HA）水凝膠的體外外植體（Patient-DerivedTumorExplant, PDTE）腫瘤模型，能夠幫助腹膜轉移癌癥患者找到更精準的個性化治療方案。

該團隊的研究成果《 Hydrogel-Mediated Preservation of Live Tumor Explants for Drug Development in Peritoneal Metastases 》 最近 發表于國際頂級期刊《先進材料（ Advanced Materials ）》。 這個新型體外腫瘤培養 系 統 利用 HA 優異的生物 相容性 ，并通過 結合 可 酶 降解的交聯劑（ PQ 肽序列）和細胞可識別的整合素結合位點（ RGD 肽序列）進一步 控制水凝膠的生物活性 。這款水凝膠就像 “ 保鮮盒 ” 一樣， 能有效地保存腫瘤組織的 宏觀形態、細胞活性、 病理組織 學 特征 、 以及基因表達， 長達 12 天，并能夠準確預測患者 對藥物的臨床反應 。

圖 1 基于 HA 水凝膠 的 PDTE 體外培養 系統 實驗流程 圖 和材料 表征 ， 以及與 其他體外系統的橫向對比

團隊通過對比 HA 水凝膠與腫瘤外植體培養常用的 兩種方法： 聚四氟乙烯 PTFE 細胞跨膜插入器 （ Transwell Insert ） 和基質膠 Matrigel ， 發現 HA 水凝膠能夠更好地 保存 PM PDTE 的組織形態、細胞活性及更完整的組織病理學特征 。

圖 2 通過系統性地優化 HA 水凝膠的硬度、整合素結合位點和可降解性，可以進一步提升 PDTE 的 組織形態 、細胞 活性 以及在體外的組織 病理 學特征保存度。

研究人員進一步探索了水凝膠性能的優化可能性。他們合成了不同硬度、可降解性及細胞粘附性的水凝膠 并 進行 系統性 比較，發現水凝膠的硬度、降解性及 HA 材料本身 能夠 顯著影響 PDTE 的 細胞活性以及組織結構的完整性 。

有趣的是，盡管以往研究表明由 RGD 產生的細胞粘附性對腫瘤細胞的體外培養具有促進生長的作用，但在本實驗中，研究者未能觀察到 RGD 的明顯 影響 。這表明單細胞培養與組織層面細胞培養之間存在一定差異，反映出組織培養 可能更 能 有效模擬 體內腫瘤微環境， 進而有助于 準確地闡明腫瘤在體內的生長機制。通過一系列優化實驗， 團隊 最終 確定 2% HA 水凝膠（ 硬度為 350 Pa ） 為體外培養 PDTE 的最佳條件， 并以此展開后續實驗。

圖 3 HA 水凝膠相比傳統方法，能夠通過抑制肌球蛋白 II 介導的組織收縮，從而提升 PDTE 的細胞活性和組織結構的完整性

通過大量重復實驗比較水凝膠的 “ 三維培養（ 3D culture ） ” 與 PTFE 的 “ 二維培養（ 2D culture ） ” ， 該 團隊 發現 了 二維培養會導致組織的嚴重收縮 （ T issue C ontraction ） 。至于 產生 這一現象的原因，目前尚缺乏相關研究。研究團隊認為，若能找出組織收縮的原因及其生物學機制 ， 將為后續的組織體外培養提供新思路。因此，研究團隊首先排除了組織收縮是單純的組織結構從一個維度向另一維度的變遷 —— 即 橫向 收縮轉變為 縱 向擴張。通過觀察 PDTE 兩個維度的結構變化，他們發現 PDTE 在 PTFE 上培養的過程中橫縱兩個維度均發生了收縮 。 這 表明組織結構發生 了 塌陷， 可能 是 由 細胞外基質（ Extracellular Matrix, ECM ）降解所致。他們通過二次諧波產生（ Second Harmonic Generation, SHG ）定量表征膠原蛋白結構隨時間的變化印證了這一猜想。結合單細胞 RNA 測序數據，研究推測可能有肌成纖維細胞（ M yofibroblast ）促成組織收縮和 ECM 的 重塑。通過在培養中加入肌成纖維細胞 功能（ 肌球蛋白 II , M yosin-II ） 抑制劑，再次觀察組織結構，發現組織收縮明顯減少，從而進一步驗證了該結論。有趣的是，在 HA 水凝膠培養條件下，組織細胞外基質重塑通路被有效抑制，收縮幾乎消失 。由此 他們 推斷出水凝膠提供的三維培養環境 通過抑制 肌成纖維細胞 的收縮功能來 有效 地減少 組織收縮 。通過這一系列的機理研究，團隊 證明了 HA 水凝膠比傳統的二維培養更好地維持了組織結構的穩態 ，從而更有效地 延長 PDTE 的在體外的生物活性。

圖4 基于HA 水凝膠的PDTE 體外培養系統有效維持 PM 原細胞組成、重要的功能性基因及細胞間信號傳遞

在腫瘤微環境中，各種間質細胞（ S tromal C ells ）對腫瘤的發展具有重要影響。研究者通過深入分析 PDTE 在水凝膠培養前后的轉錄組譜，發現 HA 水凝膠能夠有效保留原始腫瘤微環境中的所有常見細胞，包括癌細胞、癌癥相關成纖維細胞（ Cancer Associated Fibroblast, CAF ）、免疫細胞和內皮細胞。進一步分析免疫細胞的組成后，團隊確認 HA 水凝膠培養的 PDTE 在 7 天后仍然保留了多種免疫細胞亞群，如細胞毒性 T 細胞、自然殺傷細胞及腫瘤相關巨噬細胞（ Tumor Associated Macrophage, TAM ），并且相比傳統方法， HA 水凝膠更有效地促進了細胞之間的信號傳遞。這些發現驗證了 HA 水凝膠在保留 PM 腫瘤微環境方面的優越性能。

圖 5 基于 HA 水凝膠 的 PDTE 體外培養 系統 加入腹水重現醫學上腹水對 PM 化療 藥物反應的影響

許多 PM 患者會 伴隨 產生大量的腹水 ，而腹水 會 提高患者對化療藥物的耐藥性。 為了更真實地還原腹膜轉移瘤在人體內的微環境，研究人員在 腫瘤模型 中加入了不同患者的腹水，以探討腹水對 PDTE 體外培養效果及藥物反應的影響。研究發現，雖然腹水對 PDTE 的活性 、 組織病理 學沒有影響，但 它 顯著提高了腫瘤對不同化療藥物（如順鉑、阿霉素、厄洛替尼）的耐藥性 ， 說明加入腹水之后的腫瘤模型能有效復現臨床上的病人對藥物的反應。

圖 6 PDTE 體外藥物試驗 重現了在動物模型中 TM5441 （纖溶酶原激活物抑制劑 -1 Plasminogen Activator Inhibitor-1, PAI-1 ） 對 存在腹水的 PM 生長的抑制效果

針對腹水導致的腫瘤耐藥性，研究團隊提出了一種靶向治療策略，通過針對腹水中產生的耐藥成分來實現 PM 病人的個性化治療。團隊之前已在動物模型中證明， PAI-1 抑制劑 TM5441 能夠有效抑制有腹水情況下腫瘤的生長。在該研究中，團隊利用研發的體外腫瘤模型進一步驗證了這一靶向治療的可行性。值得一提的是，這個 PM PDTE 模型成功復現了動物實驗的結果，但與體外單細胞培養實驗存在顯著差異，表明該體外模型比傳統的單細胞模型更準確地反映體內腫瘤的藥物反應。 值得注意的是 ，該體外模型有效保留腫瘤微環境，為研究腹水引起的 耐藥機制 以及 加速 新型治療藥物的 研發 提供了良好的平臺 —— 而這些在動物模型中難以實現。

總結

該研究開發的基于 HA 水凝膠的 PM PDTE 體外培養系統能夠 有效保持腫瘤微環境 ，為藥物測試和新藥研發提供了極好的平臺。通過這個指甲蓋大小的 “ 腫瘤保鮮盒 ” ，醫生 和研究人員 有望 能夠在體外完整保存每位患者獨特的腫瘤微環境，從而實現 個性化治療 的最終目標。研究深入分析了生物材料的機械和化學性質對 PDTE 體外培養的影響，展示了生物材料在體外腫瘤培養中的重要作用，對未來生物材料學者設計新型腫瘤模型具有重要的 借鑒 意義。未來，隨著生物材料的不斷發展，預計將有更多基于生物材料的腫瘤模型涌現，為癌癥的治療帶來新的突破，進一步惠及廣大患者。

來源：高分子科學前沿

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