图1. 利用3D打印模块化支架构建共培养模型的示意图。(A) 骨肿瘤切除后的组织工程支架植入及骨再生过程。(B) 载细胞模块化单元的构建及共培养模型的组装。(C) 支架植入肿瘤切除所造成骨缺损部位的微环境示意图。(D) 共培养模型的示意图。
利用间充质干细胞、生物活性因子以及生物材料的骨组织工程方法，被认为是骨肉瘤（OS）切除患者术后骨修复的有效策略。然而，由于肿瘤细胞残留以及骨转移的潜在风险，安全性问题一直是OS术后治疗的主要担忧。因此，有必要深入了解间充质干细胞与肿瘤细胞的相互作用。以往的研究大多只关注肿瘤组织内部的细胞相互作用，对OS切除后骨修复过程细胞相互作用的了解十分有限，建立能够再现切除部位特殊骨微环境及细胞空间分布的体外模型一直具有挑战性。
在本研究中，中国科学院上海硅酸盐研究所的吴成铁研究员团队提出了一种模块化方法用于体外共培养模型的构建。由于具有接近天然骨组织的成分及力学特性，磷酸三钙生物陶瓷可以模拟骨微环境，再现细胞与细胞外基质的相互作用。因此，利用磷酸三钙生物陶瓷制备了3D打印模块化生物陶瓷支架。所制备的模块化支架具有易于组装的特性，可以通过分别负载不同细胞并进行空间组合，模拟骨肉瘤切除部位的细胞空间分布。基于模块化共培养模型的研究结果，骨髓间充质干细胞与肿瘤细胞的相互作用表现为对肿瘤细胞增殖的刺激作用以及对干细胞成骨能力的抑制，这意味着干细胞的使用存在潜在的肿瘤复发风险。为了消除干细胞对肿瘤细胞增殖的刺激作用，提出了一种预分化的方法，可以在不刺激肿瘤的情况下保持更高的成骨能力，为干细胞在骨再生中的应用提供了一种很有前途的方法。此外，模块化方法也为构建体外共培养模型提供了新的思路。
图2. 预分化骨髓间充质干细胞刺激肿瘤细胞生长的效果及成骨基因的表达。MG-63细胞与预分化(A) 0天、(B) 3天、(C) 5天、(D) 7天的BMSCs共培养时的细胞增殖活性。预分化(E) 3天、(F) 5天、(G) 7天BMSCs的生长因子及成骨相关基因表达热图。不同诱导时长预分化BMSCs(H) IL-8 (I) VEGF (J) OPN (K) RunX2的基因表达活性(n=3)。
吴成铁，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、博士生导师。主要从事生物医用材料与植入医疗器械的研究。先后获得基金委杰出青年，中组部WR计划领军等人才计划，主持并承担科技部重点研发计划、863计划和国家自然基金重点等科研项目。现担任学术期刊”Biomedical Engineering Frontier” 共同主编，“Applied Materials Today”、“Microstructures”和《无机材料学报》副主编。科研成果在Advanced Materials、Materials Today、Science Advances和Biomaterials等期刊发表SCI论文300余篇, h指数92，2015-2023连续9年入选Elsevier评选中国高被引用学者榜单。申请专利72项， 25项实现企业转让。荣获英国皇家化学会Journal of Materials Chemistry Lectureship奖、国际材联IUMRS Young Scientists奖、中国生物材料学会优秀青年科学家奖、中国硅酸盐学会青年科技奖、中国生物材料学会科技一等奖等荣誉。
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.06.016
该项研究得到了国家重点研发计划（2023YFB3813000）、国家自然科学基金（32225028和32130062）、中国科学院（中科院）青年科学家基础研究项目（YSBR073）、上海基础研究试点计划-中国科学院上海分院（JCYJ-SHFY-2022-003）等项目的资助。
