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科學家使用生物3D打印和計算機建模來預測癌癥增長

魔猴君  行業(yè)資訊   1504天前

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治療癌癥已有數(shù)百年歷史,研究人員在學習如何預防,診斷,治療這個世界上最大的殺手,在更復雜細節(jié)方面取得了重大進展。從成功的免疫療法到精密醫(yī)學的日益增長的作用,這些重大進展正在幫助臨床醫(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,專家認為,一旦癌癥從人體內(nèi)的一個部位擴散或轉(zhuǎn)移到另一個部位,存活的機會就降低到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展,但是勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家開發(fā)了一種獨特的方法,他們相信這將有助于臨床醫(yī)生和研究人員預測癌癥在個體患者中的傳播。通過將生物3D打印技術(shù)與先進的計算流程模擬結(jié)合,一個專家組認為,它們?yōu)殚_發(fā)預測能力以了解腫瘤細胞附著在血管上奠定了基礎,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《科學進展》雜志上發(fā)表的一篇論文中進行了描述,是一種針對生物過程訓練計算模型的新方法,并提供了有關(guān)癌細胞如何以及為何在脈管系統(tǒng)某些區(qū)域進行轉(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,以3D方式打印了人腦活體脈管系統(tǒng),并將其與先進的計算模擬配對,以解決癌癥通過轉(zhuǎn)移擴散所涉及的物理問題。

使用犧牲墨水方法對具有復雜幾何形狀的內(nèi)皮化血管床進行生物打印。 (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)學工程師Monica Moya的說法,腫瘤細胞傾向于從原發(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)合生物工程學和計算方法來分析循環(huán)腫瘤細胞(CTC)行為以及細胞與血管內(nèi)皮細胞(位于血管內(nèi)表面的細胞層)結(jié)合的物理原理,該團隊提供了新的見解基本的CTC流動動力學和附著行為。

“計算建模絕對是一個有用的工具,但是您仍然需要將其與實際情況進行基準比較?!?Moya說, “通過這種方法,我們可以根據(jù)驗證模型的需要,使生物學變得簡單而干凈,并且可以增加生物學和計算模型的復雜性。物理學在生物學中很重要,本文確實為您提供了如何使用這些體外模型和模擬的框架,以梳理生物學和物理學的貢獻,并確實為該領域所缺乏的力量提供了力量。 ”

據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解,科學家通常使用動物模型來了解物理學如何促進癌癥轉(zhuǎn)移,但是這些模型并不完全有用或與人類生物學無關(guān)。相反,她的團隊通過在人腦內(nèi)皮細胞中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)建了一個體外系統(tǒng)。細胞完全覆蓋設備的通道后,在血管內(nèi)對齊,大約一周后,研究人員將乳腺癌細胞系注入設備中,以觀察腫瘤細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制仍知之甚少,無法預防,這就是為什么這項研究對于了解乳腺癌細胞一旦發(fā)生轉(zhuǎn)移的行為至關(guān)重要。

CTC的附著位點顯示脫細胞(B)和內(nèi)皮化(A)通道之間的差異。

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

研究人員說,在腫瘤細胞以生理流速循環(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多個粘附在血管壁上的細胞,并將其與局部生物物理學進行了比較。然后,將這些實驗結(jié)果與復制從3D地圖收集的幾何圖形的3D計算仿真進行比較,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件進行高精度的流體動力學分析。

主要作者和LLNL研究人員工程師說:“采用這種先進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現(xiàn)象,我們將繼續(xù)對這些發(fā)現(xiàn)進行迭代,以闡明循環(huán)腫瘤細胞如何以及何時在體內(nèi)選擇其靶標。通過將我們的工程平臺與計算模型配對,我們可以直接詢問轉(zhuǎn)移細胞的行為以及控制轉(zhuǎn)移細胞的規(guī)則,這要比單獨進行實驗快得多?!?/span>

點評:這種新方法可以使研究人員將驅(qū)動器官轉(zhuǎn)移定殖的生物學和物理作用分離開來。研究人員預計,該模擬將用于預測腫瘤擴散的位置,從而有針對性地篩查高?;颊卟⑨槍ψ畲嗳醯牡貐^(qū)進行治療性干預。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

   
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