利用基于生物材料的三维体外癌症模型解决当前临床难题

推进癌症治疗的一大瓶颈在于治疗方案的测试与开发。据估计，约90%的候选药物会在I期临床试验中失败；而通过I期试验的药物，平均需历经12年研发，耗资约11.5亿英镑。在药物进入临床前，体外模型发挥着关键作用，因此提升这些模型的质量，是加快抗癌药物进入临床、提高转化率的重要契机。

传统的二维（2D）细胞培养（通常使用组织培养塑料，TCP）虽被广泛应用并推动了早期研究，但存在明显局限：细胞呈单层生长、形态扁平化，且缺乏复杂的细胞-细胞及细胞-基质相互作用。由于原生肿瘤具有高度异质性，二维模型无法重现肿瘤微环境（TME）的重塑过程或氧梯度等特征，导致细胞失去部分原有基因转录、蛋白表达和形态功能。

向三维（3D）模型转变的理念旨在解决这一问题。早在1994年，研究就发现癌细胞在3D环境（如海藻酸钠）与TCP上的功能和存活率显著不同。传统2D模型的一大硬伤是往往会高估抗癌药物的有效性——许多在2D培养中表现出色的化合物，在体内却无效，这是临床试验失败率居高不下的主因。相比之下，3D模型能更好地重现实体瘤的空间、细胞和化学环境，在无需动物模型高昂经济与伦理代价的前提下，在2D模型与动物实验之间架起了一座更为可靠的桥梁。

长期以来，动物（体内）模型因其天然的微环境，一直是临床前测试的首选。然而，动物模型在预测药物对人类的毒副作用、耐药性及免疫应答方面存在不可靠性。基于生物材料的3D体外模型则允许研究人员定制支架，精确模拟特定肿瘤的需求及细胞与细胞外基质（ECM）的相互作用。

这种转变也受到伦理因素的强烈推动。旨在替代、减少和优化动物实验的“3Rs”原则已在全球范围内得到推广。当前肿瘤药物研发中仅约5%最终进入临床试验，证明了高度依赖动物模型的流程是低效的。不仅浪费了巨额资金，也引发了伦理争议。3D体外模型通过提供更准确的药物应答预测，能有效剔除2D模型中的“假阳性”药物靶点，从而大幅减少进入动物实验阶段的无效候选药物数量。它不只是一个更“好”的模型，而是一种能在空间和生物化学上高度还原人类肿瘤复杂性的创新工具。

肿瘤是难以精确模拟的高度异质系统。一个成功的体外模型必须包含共同的生物学组分：癌细胞、细胞外基质（ECM）、癌相关成纤维细胞（CAFs）、免疫细胞及内皮细胞等。体外建模通常从选择代表ECM的生物材料支架开始。

体内ECM对癌细胞行为影响巨大，它不仅提供物理支撑，还参与组织分化和信号传导。肿瘤ECM处于不断重塑的动态变化中。过去，Matrigel®（基质胶）被广泛使用，但因其存在批次差异和动物伦理问题，研究界正积极寻找替代品。

透明质酸基和多肽水凝胶等合成或改性支架提供了高度的可调性。例如，自组装多肽水凝胶（SAPHs）在乳腺癌模型中，能比Matrigel更好地模拟肿瘤组织的真实硬度（约4 kPa，远高于正常组织的0.2 kPa）。基质硬度是驱动癌症进展的关键物理因素。

此外，智能响应型生物材料代表了未来的研究方向。这类材料能随着细胞活动或疾病进展发生动态重塑，从而进一步缩小体外模型与体内动态微环境之间的差距。

为了提升临床转化价值，体外模型必须走向复杂化，特别是建立多细胞共培养体系。例如，引入人源免疫细胞来替代动物来源的细胞，能极大地拓展研究人类特异性免疫反应的机遇。

当前的一大挑战是体外培养的时间限制。患者体内的肿瘤发展历时数月甚至数年，而3D体外模型目前很难维持超过21天。尽管如此，3D共培养在研究细胞间小尺度相互作用方面已极为成功。

早期的3D模型难以实现不同细胞的“区室化”分布。但近期研究取得了突破，例如将结直肠癌细胞接种于胶原凝胶中心，外围包裹CAFs。这种空间布局成功证实了CAFs能引导肿瘤细胞的定向侵袭，并促使肿瘤细胞破坏内皮网络以重塑基质。这些贴近真实的复杂模型，正逐渐成为可靠的临床前工具。

复杂的3D模型提供了必要的机械与生化线索，是研究肿瘤转移和进展的理想平台。例如，在乳腺癌3D水凝胶模型中，癌细胞能够自主分泌ECM蛋白（如I型胶原），模拟体内对TME的重塑。

更重要的是，3D模型能再现实体瘤内部的缺氧环境。随着肿瘤生长，内部细胞因氧气扩散受限而缺氧，进而激活HIF-1α转录因子并诱导血管新生。在SAPHs构建的模型中，培养第14天即可观察到显著的HIF-1α阳性细胞，这为研究缺氧驱动的癌症进展机制及筛选新药靶点提供了低成本、高效率的途径。

3D体外平台在药物有效性与毒性评估上远超2D模型。2D平台经常产生虚高的药物应答，导致无效药物过早进入昂贵的体内开发阶段；而体外小鼠异种移植模型虽然更接近体内，但耗时且昂贵。

将乳腺癌或卵巢癌细胞培养于水凝胶中进行的药物筛选显示，3D培养下细胞对他莫昔芬、阿霉素等药物表现出更长的应答滞后期，且展现出与体内更一致的耐药性。包含脂肪细胞、内皮细胞的复合3D凝胶模型，甚至能模拟药物在组织间的渗透过程及不同细胞的串扰。不过，模型间的重现性（如支架材料的批次差异）仍是阻碍其成为标准化筛选平台的主要挑战。

在免疫治疗（如免疫检查点抑制剂ICI和CAR-T细胞疗法）领域，攻克实体瘤的难点在于复杂的TME阻碍了免疫细胞浸润。二维环境缺乏空间维度，无法准确再现这一屏障。

3D共培养模型允许研究人员将人源自然杀伤（NK）细胞或T细胞引入包含血管网络的肿瘤模型中。借助活细胞成像，可以实时监测免疫细胞如何在3D基质中迁移并杀伤肿瘤细胞。此外，利用患者来源的类器官（PDOs）进行个性化免疫治疗测试已在膀胱癌、卵巢癌中取得进展，但这同时对知情同意、数据隐私及生物样本的长期管理提出了伦理要求。

在放疗研究中，3D模型同样极具价值。研究表明，在模拟缺氧的3D聚氨酯支架模型中，胰腺癌细胞在接受辐照后，其存活率升高、细胞凋亡减少。这成功复现了体内缺氧导致的“放射保护”效应，有助于开发克服放疗耐药性的新策略。

生物材料的应用使得针对肺癌、乳腺癌、结直肠癌等多种癌症的3D体外建模成为可能。这些平台未来有望实现标准化的高通量检测，在动物实验前有效评估治疗响应。面临的挑战包括：培养条件的差异阻碍了标准化操作规程（SOP）的建立；长期维持培养以匹配临床发展时程仍难以实现；且不同癌症（如血液瘤与实体瘤）的建模难度差异巨大。

然而，3D体外建模已成为连接基础科学与临床应用不可或缺的桥梁。考虑到癌症的极度异质性，开发利用患者自身细胞构建的个性化3D模型，将在未来的精准医疗中发挥深远影响。