顶刊Nature：生物3D打印构建新一代含基质类器官，揭示微环境信号影响肿瘤表型新机制
类器官往往由受组织限制的成体干细胞、诱导多功能干细胞或肿瘤细胞。因为它们可以模仿人体器官的结构和功能，因此被认为是创造人造器官或开发新药物的下一代技术。近日，韩国浦项科技大学Kunyoo Shin教授团队的研究成果Creation of bladder assembloids mimicking tissue regeneration and cancer发表在全球顶级期刊Nature主刊上，研究基于生物3D打印技术引入了一种被称为组装体的迷你器官的新概念，该概念超越传统类器官，在结构和功能上全面仿生人类组织。杰出的成果使其成为2020年生物3D打印相关研究唯一登上三大主刊的研究。
类器官
类器官可以来自受组织限制的成体干细胞、多能干细胞或肿瘤细胞。这三个类型的类器官被广泛用于模拟器官和组织的关键特征，以更好地了解包括癌症等人类疾病的各个方面。然而，当前类器官与体内疾病的相关性仍然受到质疑，因为这种模型系统没有考虑到大量因素，包括原生组织结构,微环境和基质（Stroma）等，当它们从组织的原生环境中移除时，大多数细胞的特征都会发生变化。所以，含Stroma，免疫细胞及多细胞结构仿生的类器官构建一直是领域难题。
膀胱组装体的构建
只有长期培养的类尿皮器官才呈现成熟的尿皮，它们包含完全分化的透明伞细胞（角蛋白18（KRT18）、尿素3（UPK3）和角蛋白20（KRT20）阳性）、中间细胞（角蛋白5（KRT5）为阳性，p63阳性）和基底细胞（KRT5和角蛋白14阳性（KRT14）阳性），而短期类有机体类似于胚胎膀胱。同时，长期培养的膀胱器官缺乏正常膀胱的关键组成部分，如组织基质和肌肉层。
于是，研究团队使用生物3D打印技术，将基质成纤维细胞、内皮细胞以及肌肉层构建膀胱组装体。包含多层褶皱的尿皮，以及包含黄青素基质成纤维细胞和CD31+内皮细胞的厚结节基质，周围是外层肌肉层，由α平滑肌动蛋白（α-SMA）阳性平滑肌细胞（SMC）和CD31+内皮细胞组成。同时，团队还创建了人体膀胱组装体，内上皮和结缔基质被外肌层包围。通过药理学检测，组装体的刺猬通路活性与体内成体膀胱活性相近，也表明上皮细胞与基质之间功能的相互作用在人体膀胱组装体中得以重现。
膀胱组装体的模仿体内组织
膀胱组装体和野生型膀胱的单细胞RNA测序（scRNA-seq）确定了七种不同的细胞类型：上皮细胞、基质成纤维细胞、SMCs、内皮细胞、雪旺细胞、巨噬细胞和间皮细胞。
多细胞比例和组成相似：7天膀胱组装体中不同细胞类型的比例与正常膀胱相似度可以达到90%，其中与野生型尿皮细胞和基质细胞相似度可达99%和86%。并且，研究者发现，尽管在最初的构建中使用了不同异源的细胞类型，但膀胱组装体经历了成熟过程，通过各种重组的细胞类型之间的相互作用来重现成年膀胱。
仿生结构相识：研究进一步分析证明膀胱组装体通过在伞状细胞顶端表面形成紧密的连接和尿皮斑块来保持尿皮完整性，且保持了尿皮屏障功能。通过彩虹小鼠进行尿皮再生过程的组织动力学研究表明，少数基底上皮细胞具有在细菌损伤后通过低克隆扩张跨越泌尿生殖膀胱上皮的显著能力。图片
膀胱肿瘤组装体
研究者从8例侵袭性尿皮癌患者中建立了患者特异性肿瘤组装体，通过观察发现肿瘤组装体中肿瘤生长的形态模式发生变化，这些形态模式与异种移植和亲体肿瘤组织表型相似。重建的内皮细胞经常发展成相互连接的血管网络，并促进肿瘤组合体的肿瘤生长。我们还发现，在常规肿瘤器官和肿瘤组合体中都保持了亲本肿瘤的遗传变化。
先前的研究表明，大多数源自腔尿路上皮癌的肿瘤类器官在体外维持过程中均成为基底亚型。当类器官异种移植到小鼠中时，这些从腔到基的表型转变通常恢复为原始表型。因此，可能需要肿瘤基质来维持常规肿瘤类器官的亚型。研究者利用含CAF的膀胱肿瘤组装体，成功在体外长期培养中抑制了从腔到基的表型变化，证明了含基质的肿瘤组装体，相比传统类器官的优势。
研究发现，相比膀胱类器官，三维膀胱肿瘤组装体对所有三种化疗药物的治疗反应都有所下降。这表明由于周围的基质，许多固体肿瘤比正常组织更广泛、密度更大，化疗剂到癌症组织部位的输送不顺畅。这也是传统类器官在预测某些药物同样模型失效的原因。
同时，研究者通过高通量生物3D打印构建的肿瘤组装体与常规手工构建的类器官的药物反应一致，但效率是手工类器官构建的数倍。研究者更进一步证明，重建的体外肿瘤组装体是模拟肿瘤生物学各个方面的强大平台，包括肌肉入侵和免疫细胞渗透等方面。
肿瘤可塑性
研究者先前结果已发现肿瘤基质对维持肿瘤表型的重要作用，但传统类器官（无基质）和新型组装体（有基质）都遗传了亲代肿瘤的基因变化，故可能可以根据肿瘤基质的表观遗传学变化确定肿瘤表型。进而，研究者揭示了一种新的机制：来自肿瘤微环境的信号决定了肿瘤细胞的可塑性（由肿瘤细胞中的刺猬蛋白表达引起的基质BMPs诱导肿瘤FOXA1表达，以驱动增强子重编程并决定肿瘤表型）。这些发现表明，肿瘤与基质细胞之间的信号反馈在控制肿瘤可塑性中起关键作用。这一发现将为细胞分化疗法的发展带来新的范例，以治疗各种侵袭性实体癌。
总结
总之，团队利用生物3D打印技术重构膀胱组装体，并开发患者特异性的膀胱肿瘤组装体，完美地模仿了体内肿瘤的病理特征。团队揭示了来自肿瘤微环境的信号决定肿瘤细胞可塑性的新机制。这些发现表明，肿瘤和基质细胞之间的信号反馈在控制肿瘤可塑性方面发挥着关键作用。
研究者预言未来通过3D打印技术构建高效类器官制造平台将将应用在高通量药筛，精准医学和肿瘤个性化治疗中。
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