近年来，3D肿瘤模型已成为癌症生物学、药物开发和医学研究的新工具。常见的3D模型包括肿瘤球、类器官、微流体装置等。肿瘤球和类器官是最常用的两种模型，基于不同的细胞来源和制备方案，模拟肿瘤微环境如结构组织、细胞分层、营养和氧气梯度等特征。

然而，这些方法仍存在不足，比如构建初期的肿瘤模型，其细胞密度明显低于天然组织，无法真实模拟肿瘤细胞与基质细胞的相互作用；多需要等待几天甚至几周，后期模型的细胞密度才能与天然组织相当，增加了研究周期。

美国印第安纳州的西拉斐特普渡大学机械工程学院于2023年在《Materials Today Advances》发表该文章，研究开发了一种新的3D肿瘤模型构建方法。利用该方法能够快速制备3D肿瘤模型，细胞密度和生理特性与自然组织类似，同时还可调整墨水成分及打印条件构建不同类型的肿瘤模型。
 
一、实验方法：
1. 墨水制备
将肿瘤细胞与一种含有I 型大鼠尾胶原蛋白和聚合物（N-异丙基丙烯酰胺-共甲基丙烯酸甲酯）的溶液进行油墨混合，构成含有肿瘤细胞的生物墨水。再将肿瘤基质组织中的主要成分癌症相关成纤维细胞（ cancer-associated fibroblasts ，CAFs）用同样方法制成含有CAFs的生物墨水。

2. 喷墨打印
德国Biofluidix公司的纳升级压电式点样喷头Pipejet安装在载物台控制器上，将上述两种墨水用Pipejet点样头以线阵列的方式点印在玻璃孔板中并在37℃固化。固化完成后加入细胞培养基进行培养。（图1）

图1 喷墨打印过程的示意图以及组织压缩应力假设机理 

3. 组织学观察
取不同时间点的肿瘤模型做免疫荧光染色，通过共聚焦显微镜观察不同时间点肿瘤模型的变化。
 
二、实验结果：
常规肿瘤球形成验证
已有研究表明，相比于肿瘤细胞，CAF细胞的收缩性更强，因此预期加入培养基后，CAF细胞将收缩得更为紧密，而肿瘤细胞包裹在其周围。最终形成基质细胞在内、肿瘤细胞在外侧的结构（图1）。
 
在实际实验中，如预期所示，随着时间变化，逐渐形成CAF细胞为致密核心，肿瘤细胞将其完全包裹的肿瘤球（图2，A），且在接下来两个月内持续稳定存在（图2，D）。

 图2 喷墨打印快速形成肿瘤球

（A）主动收缩，0–24 小时延时图像（红色通道：肿瘤细胞，绿色通道：CAF细胞）;（B）量化体积应变;（C）细胞密度和胶原浓度的定量;（D）肿瘤球在1天-2个月不同时期的明场和荧光图像（比例尺：500μm）。

通过分析延时图像中细胞占比的面积，可计算出肿瘤球的体积以及响应的细胞密度（图2 ，B-C）。结果显示，在培养24小时后，3D 类肿瘤细胞密度已达到 108 cells/cm³，接近天然组织中肿瘤的细胞密度。说明这种方法可以快速形成类似天然组织细胞密度的肿瘤球。
 
其他类型肿瘤球形成验证

在上述实验基础上，作者改变打印方式、调整打印温度等，又成功构建了具有3D腔体形状的肿瘤球，以及肿瘤细胞在内侧、CAF细胞在外侧的肿瘤球。

三、实验结论
利用德国Biofluidix公司的纳升级压电式点样喷头Pipejet制备的肿瘤球，可在短时间内形成类似天然组织的细胞密度，大大提升实验效率，还可推广到其他不同类型的细胞和肿瘤球模型，有广泛的应用空间。

更多资讯请访问文章全文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2023.100408
 
Biofluidix成立于2005年，位于德国，技术源自德国弗莱堡大学微量系统工程学院。
 
* 专注非接触式的精准纳升和皮升的超微量点样和分液；
* ​点样喷头可第三方自动化整合；
* ​提供微量分液、芯片点样设备与定制化服务
* ​用于微孔板微量移液、微流控快检芯片、生物传感器芯片、电化学芯片、光电芯片以及微阵列生物芯片，包括：核酸芯片，基因芯片，蛋白芯片，多肽芯片、多糖芯片、小分子化合物芯片、细胞芯片。