三維（3D）細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)通過模擬體內(nèi)環(huán)境，顯著推動了生命科學(xué)及組織工程的研究進程?。腫瘤類器官是由腫瘤細(xì)胞自組織形成的三維結(jié)構(gòu)，因其在形態(tài)、遺傳及功能層面高度保留原發(fā)腫瘤特性，已成為藥物開發(fā)中具有潛力的臨床前模型。為提升腫瘤微環(huán)境模擬的真實性，科研人員構(gòu)建了類器官與免疫細(xì)胞（如T細(xì)胞）的共培養(yǎng)體系，以更精準(zhǔn)地評估化療、靶向治療及免疫療法的體外藥效。在此體系中，T細(xì)胞的活化狀態(tài)是解析腫瘤免疫微環(huán)境響應(yīng)機制的核心指標(biāo)?。然而，傳統(tǒng)三維培養(yǎng)體系（如Matrigel、液滴法）雖能提供結(jié)構(gòu)支撐，卻因物理阻隔抑制了腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞（如T細(xì)胞）的直接互作。值得注意的是，細(xì)胞對機械刺激的反應(yīng)是決定細(xì)胞命運的關(guān)鍵因素。例如，基質(zhì)材料的硬度通過機械敏感的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子影響3D類器官培養(yǎng)中的細(xì)胞增殖和分化。此外，超聲波是一種機械波，能夠非接觸地操控細(xì)胞并施加力學(xué)刺激，這也說明，超聲技術(shù)有望替代傳統(tǒng)的3D生物支架材料，通過力學(xué)刺激的形式促進腫瘤類器官的形成。

近期，中南大學(xué)的陳翔教授、陳澤宇教授和西安電子科技大學(xué)的費春龍教授團隊在《Science Advances》（IF=11.7）期刊上在線發(fā)表題為“Acoustic virtual 3D scaffold for direct-interacting tumororganoid–immune cell coculture systems”的原創(chuàng)性論著。該研究通過聲學(xué)虛擬3D支架（AV-Scaf）技術(shù)實現(xiàn)了腫瘤類器官的無基質(zhì)膠培養(yǎng)，并進一步構(gòu)建了腫瘤類器官-T細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)。該文章為實現(xiàn)無基質(zhì)膠的腫瘤類器官培養(yǎng)以及構(gòu)建高效的腫瘤類器官免疫共培養(yǎng)系統(tǒng)提供了全新的思路和方法。

首先，作者通過超聲換能器和透鏡產(chǎn)生聚焦聲渦旋，實現(xiàn)了腫瘤細(xì)胞在焦平面內(nèi)的聚集（圖1）。設(shè)計的渦旋聚焦聲場將腫瘤細(xì)胞聚集成適當(dāng)大小的細(xì)胞簇，同時施加非接觸的機械力刺激，促進了細(xì)胞間的交互，并誘導(dǎo)它們進一步自組織形成類器官。在系統(tǒng)設(shè)計上，作者通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch^® S140，精度：10 μm）制作了培養(yǎng)腔室的支撐結(jié)構(gòu)。在RNA測序（RNA-seq）分析中，超聲波刺激可以顯著增強鈣離子的流入，從而加速細(xì)胞團簇的細(xì)胞間相互作用過程。

圖1. AV-Scaf技術(shù)形成腫瘤類器官。

為了驗證AV-Scaf構(gòu)建無支架腫瘤類器官的能力，研究人員設(shè)計了相應(yīng)的培養(yǎng)系統(tǒng)（圖2A）。研究人員選擇了100 mV作為最終的換能器驅(qū)動電壓。圖2E和2F分別展示了乳腺癌和黑色素瘤類器官生長照片。如圖2G所示，通過AV-Scaf形成的乳腺癌和黑色素瘤類器官的尺寸和形態(tài)與在Matrigel培養(yǎng)中形成的非常接近。研究人員進一步對兩種方法獲得的腫瘤類器官進行了免疫熒光（IF）染色（圖2H和2I）。結(jié)果表明，兩種技術(shù)產(chǎn)生的腫瘤類器官都能夠表達與原始組織對應(yīng)的特定標(biāo)志物。

圖2. AV-Scaf培養(yǎng)乳腺癌和黑色素瘤類器官。

然后，研究人員對通過AV-Scaf方法產(chǎn)生的黑色素瘤類器官進行了RNA-seq分析（圖3）。GO富集分析顯示，AV-Scaf方法處理后的腫瘤細(xì)胞在細(xì)胞粘附、鈣離子轉(zhuǎn)運和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程中存在顯著的基因富集（圖3E和3F）。對與鈣離子和細(xì)胞黏附相關(guān)的基因進行熱圖分析（圖3G和3H），表明AV-Scaf方法促進了細(xì)胞內(nèi)鈣流入以及增強了細(xì)胞黏附行為，這顯著加速了細(xì)胞之間的相互作用，從而促進了腫瘤細(xì)胞的自組織過程。

圖3. 基于AV-Scaf的腫瘤類器官與腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組學(xué)比較。

研究人員進一步展示了基于AV-Scaf方法建立腫瘤類器官-T細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)的過程（圖4）。為了驗證共培養(yǎng)系統(tǒng)的有效性，研究人員建立了兩種T細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞比例的共培養(yǎng)模型，并探索了不同T細(xì)胞比例對腫瘤類器官的細(xì)胞殺傷作用。

圖4. AV-Scaf建立直接相互作用腫瘤類器官-T細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)。

總結(jié)：研究人員開發(fā)的AV-Scaf技術(shù)為腫瘤生物學(xué)和免疫治療提供了一個高效的研究模型，特別是在評估T細(xì)胞介導(dǎo)的腫瘤殺傷效應(yīng)和免疫治療策略的開發(fā)中顯示出了巨大的潛力。AV-Scaf得到的直接相互作用的腫瘤類器官免疫共培養(yǎng)系統(tǒng)，不僅能更真實地模擬腫瘤微環(huán)境，還為高通量篩選和個性化醫(yī)療的應(yīng)用開辟了新的可能。未來，該技術(shù)有望被應(yīng)用于更廣泛的腫瘤類器官類型和共培養(yǎng)類型的研究中，進一步推動個體化癌癥治療的發(fā)展。