2020年8月27日

研究小组结合3d生物打印和计算机建模来检测癌症在血管中的扩散

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们将3d打印的活体人脑血管与先进的计算流模拟相匹配，以更好地了解肿瘤细胞附着在血管上，这是癌症转移过程中继发肿瘤形成的第一步。LLNL的研究人员表示，这种与外部合作者共同开发的独特方法为开发一种预测能力奠定了基础，可以帮助临床医生和研究人员预测癌症在个体患者中的扩散。

这项研究发表在今天的在线杂志上科学的进步，描述了一种训练生物过程的计算模型的新方法，并提供了如何以及为什么的见解癌症细胞研究人员报道，在血管的某些区域转移。

该团队包括杜克大学的科学家，他们将生物工程和计算结合起来，分析了循环肿瘤细胞(CTC)行为背后的物理原理，以及细胞与血管内皮(血管内表面的一层细胞)的附着关系。

LLNL生物医学工程师莫妮卡·莫亚(Monica Moya)解释说，肿瘤细胞倾向于从原发肿瘤中逃逸，穿过血管系统，最终附着在血管壁上，通过内皮进入组织，像种子一样在土壤中生长，通常在血管分叉等区域生长，该研究的首席研究员和LLNL生物打印血管设备的首席研究员。

莫亚说，虽然已经研究了是什么吸引了肿瘤到某些区域，但对物理学在癌症转移中的贡献知之甚少，因为这一过程在实验室中极其难以复制。通常情况下，科学家使用动物模型，对传播的传播进行实时可视化和测量肿瘤细胞复杂且与人类生物学关系不大。然而，LLNL的3d打印血管设备非常适合解决癌症通过转移传播的物理问题，因为研究人员可以控制血管的生物学、流体动力学和几何结构，并实时测量实际血管流量及其如何影响循环肿瘤细胞。

Moya说:“计算建模绝对是一个有用的工具，但你仍然需要以真实的东西为基准。”“通过这种方法，我们可以使生物学变得简单和干净，因为它需要验证模型，我们可以增加生物学和神经系统的复杂性计算模型．物理学在生物学中很重要，这篇论文真正设置了如何使用这些体外模型的框架，配合模拟，梳理生物学和物理学的贡献，并真正为该领域带来了一直缺乏的力量。”

为了创建体外系统，Moya和她的团队用人类大脑内皮细胞3d打印了血管系统，使它们在流体平台中流动。在细胞完全覆盖设备的通道后，它们在血管内排列，大约一周后，研究人员将乳腺癌细胞系注射到设备中，以观察肿瘤细胞如何以及在哪里开始转移(或卡住)在新形成的脑血管系统中。在肿瘤细胞以生理流速循环后，致力于开发早期乳腺癌模型的劳伦斯研究员克莱尔·罗伯逊(Claire Robertson)绘制了6000多个粘附在血管壁上的细胞，并将它们与局部生物物理学进行了比较。研究人员说，然后将这些实验结果与三维计算模拟进行比较，这些计算模拟复制了从三维地图中收集的几何图形，以再现生物打印血管的精确几何图形，从而能够对附着条件进行高精度的流体动力学分析。

首席作者、LLNL研究人员工程师William“Rick”Hynes说:“将这种先进的生物打印工艺应用于功能性的、可灌注的人类大脑血管系统是极具挑战性的，但我们现在已经掌握了这项技术，并有可能制造出各种各样的活体人体组织结构。”“使用这种方法，我们能够测试、观察和测量一种以前不可能的生物现象，我们将继续迭代这些发现，以阐明循环肿瘤细胞如何以及何时在体内选择它们的目标。通过将我们的工程平台与计算建模相结合，我们可以直接询问转移细胞的行为以及控制它们的规则，比单独进行实验更快。”

对于这项研究的计算部分，莫亚和她的团队与LLNL的前劳伦斯研究员、现任杜克大学生物医学工程助理教授阿曼达·兰德尔斯(Amanda Randles)合作。Randles的团队使用了一种由Randles开发的名为HARVEY的算法来复制血液流动和癌细胞，在微血管上验证代码，并引入几何模型中的显式癌细胞。该代码是为橡树岭国家实验室的Summit超级计算机开发和优化的，但模拟是在LLNL和杜克大学完成的。

Randles说，使用HARVEY，研究人员能够捕捉到仅通过体外设备难以实现的流速，使研究人员能够“关闭”在实验中不可能实现的特定参数，如细胞的弹性、细胞受体的数量或流量分布。通过这种方法，研究人员确定壁面剪切应力在决定细胞与血管壁的粘附方面很重要，但并不仅仅控制肿瘤附着过程。研究人员说，循环肿瘤细胞粘附的区域不能完全由血液流动模式来解释，这表明血液流动可能会激活内皮细胞，并有助于循环肿瘤细胞粘附的区域。

兰德尔斯说，在LLNL打印的活血管生物对验证计算机模型至关重要，因为它允许一个可控的环境，在这个环境中，诸如几何形状等因素可以被精确复制。

“生物学是复杂的，”兰德尔斯说。“我们开始越来越接近于模拟你在脉管系统中看到的真实生物学，但这是以一种循序渐进的方式进行的，其中一切都是可控的，我们知道血管壁的材料属性、我们所设置的几何形状以及流经的流动。我们可以开始复制体内真正发生的事情，在那里我们有一个测试平台来了解癌细胞是如何相互作用的，以及为什么你可能会在你会看到转移的地方发生。”

莫亚说，生物打印体外设备与计算机模型的结合可以让研究人员分离驱动转移性播种的生物和物理贡献。这样的模拟可以用来预测肿瘤扩散的位置，这将能够有针对性地筛查高危患者，并针对最脆弱的区域进行治疗干预。Moya补充说，临床医生可以对患者进行核磁共振成像，并使用它们来模拟循环肿瘤细胞可能被卡在哪里，并且该模型可以告诉临床医生应该关注哪些区域，以极大地提高治疗效果。

莫亚说:“大多数人并没有真正考虑过使用这些体外培养床来培养计算部分。”“这是两项非常强大的技术。这是我们唯一适合做的事情，因为我们可以使用超级计算机。这些组织结构不仅仅是体外研究的美化——你实际上可以获得有用的信息，并开始承认物理学在生物学中的作用。”

莫亚领导的LLNL团队已经提交了一项后续项目的拨款，该项目将研究流动模式、血管几何形状、肿瘤细胞力学和组织力学影响转移级联，Moya说。他们正在努力开发在更大的几何图形中捕捉细胞相互作用的方法，这将需要更高分辨率的模型，并研究不同癌细胞类型的流动行为。研究人员也在寻求资金来支持更多的生物打印工作，例如Hynes领导的一个项目，专注于开发打印活微生物的新技术细胞应用范围广泛，从生物制造到智能材料。