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新型 3D 數(shù)學(xué)模型助力研究者掀開腫瘤面目

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2021-06-24  來源:儀器網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):38
核心提示:科學(xué)家開發(fā)了一個面向患者的模型,使用這個模型可以更好地理解并最終終止癌細胞的遷移。以前,傳統(tǒng)的癌細胞研究只能在皮氏培養(yǎng)皿和顯微鏡載玻片中進行。而現(xiàn)在,研究人員開發(fā)了一個新的三維模型,這個模型可模擬更為接近于人體的環(huán)境,從而分析癌細胞的復(fù)雜性

科學(xué)家開發(fā)了一個面向患者的模型,使用這個模型可以更好地理解并最終終止癌細胞的遷移。

以前,傳統(tǒng)的癌細胞研究只能在皮氏培養(yǎng)皿和顯微鏡載玻片中進行。而現(xiàn)在,研究人員開發(fā)了一個新的三維模型,這個模型可模擬更為接近于人體的環(huán)境,從而分析癌細胞的復(fù)雜性。每天,人體內(nèi)會產(chǎn)生約1000億個新細胞。這些新細胞與數(shù)以萬億計之前產(chǎn)生的細胞一起形成了我們賴以生存的組織和器官。有時,在細胞產(chǎn)生的過程中,其DNA發(fā)生突變,使得細胞存在缺陷并可能會對人體內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生潛在危險。通常情況下,細胞會識別自身的缺陷并很快自行終止。

  但有時候,突變的細胞非但沒有自行消除,反而不斷復(fù)制,從而形成可以分裂、轉(zhuǎn)移(即遷移)并侵入身體其他部分的腫瘤,這種侵入通常是通過血流完成。幸運的是,卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機械工程菲利普·勒迪克(Philip LeDuc)教授和博士生詹姆斯·李·萬(James Li Wan)及匹茲堡大學(xué)乳腺癌研究員卡羅拉·諾伊曼博士(Dr. Carola Neumann)合作,開發(fā)了一個面向患者的模型??茖W(xué)家可以使用這個模型更好地理解并最終終止癌細胞的遷移。該研究組的研究論文發(fā)表在《Scientific Reports》,題為“通過微銑技術(shù)在芯片方法中模擬三維癌癥的嵌入式脈管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Mimicking Embedded Vasculature Structure for 3-D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling)”。據(jù)勒迪克介紹,這個項目的起因是研究人員對物理科學(xué)與癌癥之間的關(guān)系越來越感興趣。腫瘤實際上就是體內(nèi)腫塊,生化和物理手段都可以對其和癌細胞產(chǎn)生影響。而考慮到這兩種手段之間的關(guān)系,勒迪克、諾伊曼和萬開始關(guān)注癌細胞的轉(zhuǎn)移和分析。通過合作,他們能夠開發(fā)出一種更精確、更相關(guān)的研究癌細胞的方法。

  不同于傳統(tǒng)上在塑料培養(yǎng)皿中進行的癌細胞分析,研究小組建立了一個能更精確地反映生物體生理條件的三維模型。借助這個模型,科學(xué)家們可以在與人體更加相似的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)并分析癌細胞的復(fù)雜性?!皫资陙?,生物學(xué)研究都在皮氏培養(yǎng)皿中進行,”勒迪克說,“但問題是,能制造出更有生理學(xué)意義的系統(tǒng)嗎?我們使用微流體和微制造方法來創(chuàng)建三維系統(tǒng),這是因為細胞存在于三維組織中,在自然條件下,它們是不會駐留在二維培養(yǎng)皿中的?!?p>  

  一般來說,所謂微流體系統(tǒng)就是在微觀水平上傳輸液體的系統(tǒng),通常由塑料制成。但是勒迪克、諾伊曼和萬想要建立一個更具生理學(xué)意義的系統(tǒng),他們使用了人體內(nèi)最主要的蛋白質(zhì)——膠原蛋白來構(gòu)建他們的微流體系統(tǒng)?!罢绶评账f,過去我們用塑料培養(yǎng)細胞,用皮氏培養(yǎng)皿研究?!逼テ澅ご髮W(xué)藥理學(xué)和化學(xué)生物學(xué)副教授諾伊曼說?!暗牵梭w內(nèi)是沒有任何塑料的。擁有一個模仿生理條件的三維系統(tǒng)更好,能獲得更快、更相關(guān)的結(jié)果?!泵總€該團隊構(gòu)建的微流體裝置包含兩個關(guān)鍵組件:模擬傳統(tǒng)血管的平行通道和嵌入膠原中的癌細胞濃度集合。

  一旦裝置設(shè)立成功,通道就會被注入能擴散到周圍膠原蛋白的化學(xué)刺激劑。隨著興奮劑分子遠離通道,產(chǎn)生生物分子梯度。這種梯度能促使嵌入的癌細胞移動,而這種移動往往是向著模擬血管通道的。就病人來說,如果癌細胞進入血液,它們就會轉(zhuǎn)移,并可能形成繼發(fā)性癌腫瘤。據(jù)勒迪克和諾伊曼稱,大多數(shù)實體瘤患者通常死于腫瘤轉(zhuǎn)移,而非原發(fā)性腫瘤本身。這就是為什么科學(xué)家首先要弄清楚如何阻止癌細胞發(fā)生轉(zhuǎn)移。癌細胞的轉(zhuǎn)移具有從原發(fā)腫瘤轉(zhuǎn)移到血液或淋巴系統(tǒng)的能力—— 這一過程需要癌細胞遷移并重塑腫瘤組織以侵入身體的其他部位。所以,為了阻止其轉(zhuǎn)移,科學(xué)家需要了解哪些因素能夠支持癌細胞的移動和組織重塑。這也就解釋了為何勒迪克、諾伊曼和萬開發(fā)的這個三維系統(tǒng)如此重要。

  “癌癥是一種極其異質(zhì)性的疾病。這就意味著不僅每個患者的癌細胞各不相同,甚至在一個腫瘤內(nèi),癌細胞也有所不同?!敝Z伊曼說?!稗D(zhuǎn)移也是如此。根據(jù)它們在身體中的位置,每個繼發(fā)性腫瘤也不相同?!崩盏峡恕⒅Z伊曼和萬相信,研究人員最終會使用他們的系統(tǒng)來檢查每個患者的腫瘤以確定每位患者的最佳治療方法。這個過程最終將有助于使癌癥治療更加個性化和有效?!拔覀兊哪P涂梢宰鳛槟硞€特定患者的模型,”萬說。他組織完成了實驗室實驗并分析了研究結(jié)果?!斑@非常重要,正是由于每個病人的癌癥各不相同,才使得它很難治愈?!崩硐氲脑挘@個由勒迪克,諾伊曼和萬開發(fā)的三維系統(tǒng)將為研究人員和科學(xué)家提供所需工具,以阻止患者癌細胞的轉(zhuǎn)移。

  “如果至始至終,腫瘤只能呆在原位,什么都不能做。這樣對病人來說還好。”勒迪克說,“但是一旦它發(fā)生轉(zhuǎn)移,一切失控了。我們希望我們的系統(tǒng)能對終止癌細胞轉(zhuǎn)移有所幫助,并且從長遠來看,希望它能改善病人的治療效果。

 
 
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