新瀉大学研究生院医齿学综合研究科的泉健次教授（生物组织再生工学领域）、内藤绘里子牙科医师（颌面口腔外科学领域），以及冈山大学中子医疗研究中心的井川和代副教授（特任）的研究团队与日本量子科学技术研究开发机构（QST）的下川卓志研究组组长、滨野毅次长共同发表研究成果称，揭示了重粒子线（碳粒子线）照射对人类口腔癌、口腔黏膜的3D模型的细胞生物学影响。研究还证实了通过重粒子线照射可评估再现人类口腔癌的3D模型。预计这一发现将用于重粒子线与其他粒子线的效果比较、相关技术的副作用评估中，为阐明疗效机制提供新线索。该研究成果已于8月7日发表在国际学术期刊《Development of a novel tool to evaluate cancer therapy》上。
图1 3D口腔癌模型和3D口腔黏膜模型示意图。（供图：新泻大学）
与X射线治疗相比，粒子线治疗对癌症病灶周围正常组织的侵袭性较低，可减少副作用，不仅可用于治疗难治性癌症，还有望应用于老年患者等特定人群的治疗。
迄今为止，癌症放射线照射的细胞生物学评估主要使用二维平面培养细胞或移植癌细胞的实验动物来完成。但平面培养的细胞之间无法构建三维立体的空间位置关系，实验动物的肿瘤组织也与人类癌症组织所处的体内环境存在很大差异。因此，这两种评价体系都无法准确再现人体临床的实际情况，这成为了放射治疗评估中的一大难题。
此前，研究团队一直致力于在生物体外三维构建生物细胞，以用于治疗效果和病理机制分析的3D模型。
此次，研究团队利用两种恶性程度不同的人类口腔癌细胞和人正常口腔黏膜上皮细胞，分别构建了人类3D口腔癌模型。
具体做法是，研究人员首先将成纤维细胞与胶原蛋白混合，构建了模拟口腔粘膜下结缔组织的细胞层，再在该层上导入人类口腔癌细胞和人类正常口腔黏膜上皮细胞，从建模过程中开始将其暴露在空气中持续进行培养，经过18天，成功构建了各类细胞的3D模型。通过这种方法，研究团队重建了与人类口腔癌组织相似的、通过下层细胞层从下表面获取营养的立体组织结构。
针对完成的模型，研究团队在QST的重粒子线癌症治疗装置“HIMAC”的专用实验照射室中对其实施了单次照射，然后将模型带回研究室继续培养，并在照射后第3天、5天、7天分别观察模型情况。研究人员利用光学显微镜对模型进行了病理组织学观察，包括细胞增殖、凋亡等相关的细胞死亡标记物染色、定量评估，以及测定了培养基中分泌的多种蛋白质的浓度。
研究结果发现，这些分析方法都可以用作放射治疗评估的手段，并有望作为比动物实验精度更高的替代方法。
泉健次教授表示：“希望通过使用此次制作的3D模型，可以在相同基础上比较重粒子线与质子线等其他粒子线的效果，评估重粒子线治疗的副作用，验证其与放射线治疗联合使用的效果等。未来，我们计划将血管和免疫系统的细胞引入模型中，使3D模型进化到更高水平，更加接近生物体内的环境，从而为癌症的放射治疗评估做出贡献。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：In Vitro Cellular & Developmental Biology - Animal
论文：The effects of carbon-ion beam irradiation on three dimensional in vitro models of normal oral mucosa and oral cancer: Development of a novel tool to evaluate cancer therapy
DOI：10.1007/s11626-024-00958-4
