更接近於人體，新型 3D 模型助力科學家揭開癌細胞的真面目！

以前，傳統的癌細胞研究只能在皮氏培養皿和顯微鏡載玻片中進行。而現在，研究人員開發了一個新的三維模型，這個模型可模擬更為接近於人體的環境，從而分析癌細胞的複雜性。

每天，人體內會產生約1000億個新細胞。這些新細胞與數以萬億計之前產生的細胞一起形成了我們賴以生存的組織和器官。有時，在細胞產生的過程中，其DNA發生突變，使得細胞存在缺陷並可能會對人體內部環境產生潛在危險。通常情況下，細胞會識別自身的缺陷並很快自行終止。

但有時候，突變的細胞非但沒有自行消除，反而不斷複製，從而形成可以分裂、轉移（即遷移）並侵入身體其他部分的腫瘤，這種侵入通常是通過血流完成。幸運的是，卡內基梅隆大學機械工程菲利普·勒迪克（Philip LeDuc）教授和博士生詹姆斯·李·萬（James Li Wan）及匹茲堡大學乳腺癌研究員卡羅拉·諾伊曼博士（Dr. Carola Neumann）合作，開發了一個面向患者的模型。科學家可以使用這個模型更好地理解並最終終止癌細胞的遷移。

該研究組的研究論文發表在《Scientific Reports》，題為「通過微銑技術在晶元方法中模擬三維癌症的嵌入式脈管系統結構（Mimicking Embedded Vasculature Structure for 3-D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling）」。

據勒迪克介紹，這個項目的起因是研究人員對物理科學與癌症之間的關係越來越感興趣。腫瘤實際上就是體內腫塊，生化和物理手段都可以對其和癌細胞產生影響。而考慮到這兩種手段之間的關係，勒迪克、諾伊曼和萬開始關注癌細胞的轉移和分析。通過合作，他們能夠開發出一種更精確、更相關的研究癌細胞的方法。

不同於傳統上在塑料培養皿中進行的癌細胞分析，研究小組建立了一個能更精確地反映生物體生理條件的三維模型。藉助這個模型，科學家們可以在與人體更加相似的環境中發現並分析癌細胞的複雜性。

「幾十年來，生物學研究都在皮氏培養皿中進行，」勒迪克說，「但問題是，能製造出更有生理學意義的系統嗎？我們使用微流體和微製造方法來創建三維繫統，這是因為細胞存在於三維組織中，在自然條件下，它們是不會駐留在二維培養皿中的。」

一般來說，所謂微流體系統就是在微觀水平上傳輸液體的系統，通常由塑料製成。但是勒迪克、諾伊曼和萬想要建立一個更具生理學意義的系統，他們使用了人體內最主要的蛋白質——膠原蛋白來構建他們的微流體系統。

「正如菲利普所說，過去我們用塑料培養細胞，用皮氏培養皿研究。」匹茲堡大學藥理學和化學生物學副教授諾伊曼說。「但是，人體內是沒有任何塑料的。擁有一個模仿生理條件的三維繫統更好，能獲得更快、更相關的結果。」

每個該團隊構建的微流體裝置包含兩個關鍵組件：模擬傳統血管的平行通道和嵌入膠原中的癌細胞濃度集合。

一旦裝置設立成功，通道就會被注入能擴散到周圍膠原蛋白的化學刺激劑。隨著興奮劑分子遠離通道，產生生物分子梯度。這種梯度能促使嵌入的癌細胞移動，而這種移動往往是向著模擬血管通道的。

就病人來說，如果癌細胞進入血液，它們就會轉移，並可能形成繼發性癌腫瘤。據勒迪克和諾伊曼稱，大多數實體瘤患者通常死於腫瘤轉移，而非原發性腫瘤本身。這就是為什麼科學家首先要弄清楚如何阻止癌細胞發生轉移。

癌細胞的轉移具有從原發腫瘤轉移到血液或淋巴系統的能力—— 這一過程需要癌細胞遷移並重塑腫瘤組織以侵入身體的其他部位。所以，為了阻止其轉移，科學家需要了解哪些因素能夠支持癌細胞的移動和組織重塑。這也就解釋了為何勒迪克、諾伊曼和萬開發的這個三維繫統如此重要。

「癌症是一種極其異質性的疾病。這就意味著不僅每個患者的癌細胞各不相同，甚至在一個腫瘤內，癌細胞也有所不同。」諾伊曼說。「轉移也是如此。根據它們在身體中的位置，每個繼發性腫瘤也不相同。」

勒迪克、諾伊曼和萬相信，研究人員最終會使用他們的系統來檢查每個患者的腫瘤以確定每位患者的最佳治療方法。這個過程最終將有助於使癌症治療更加個性化和有效。

「我們的模型可以作為某個特定患者的模型，」萬說。他組織完成了實驗室實驗並分析了研究結果。「這非常重要，正是由於每個病人的癌症各不相同，才使得它很難治癒。」

理想的話，這個由勒迪克，諾伊曼和萬開發的三維繫統將為研究人員和科學家提供所需工具，以阻止患者癌細胞的轉移。

「如果至始至終，腫瘤只能呆在原位，什麼都不能做。這樣對病人來說還好。」勒迪克說，「但是一旦它發生轉移，一切失控了。我們希望我們的系統能對終止癌細胞轉移有所幫助，並且從長遠來看，希望它能改善病人的治療效果。