三维（3D）细胞培养技术通过模拟体内环境，显著推动了生命科学及组织工程的研究进程。肿瘤类器官是由肿瘤细胞自组织形成的三维结构，因其在形态、遗传及功能层面高度保留原发肿瘤特性，已成为药物开发中极具潜力的临床前模型。为提升肿瘤微环境模拟的真实性，科研人员构建了类器官与免疫细胞（如T细胞）的共培养体系，以更精准地评估化疗、靶向治疗及免疫疗法的体外药效。在此体系中，T细胞的活化状态是解析肿瘤免疫微环境响应机制的核心指标。然而，传统三维培养体系（如Matrigel、液滴法）虽能提供结构支撑，却因物理阻隔抑制了肿瘤细胞与免疫细胞（如T细胞）的直接互作。值得注意的是，细胞对机械刺激的反应是决定细胞命运的关键因素。例如，基质材料的硬度通过机械敏感的转录调节因子影响3D类器官培养中的细胞增殖和分化。此外，超声波是一种机械波，能够非接触地操控细胞并施加力学刺激，这也说明，超声技术有望替代传统的3D生物支架材料，通过力学刺激的形式促进肿瘤类器官的形成。
近期，中南大学的陈翔教授、陈泽宇教授和西安电子科技大学的费春龙教授团队在《Science Advances》（IF=11.7）期刊上在线发表题为“Acoustic virtual 3D scaffold for direct-interacting tumororganoid–immune cell coculture systems”的原创性论著。该研究通过声学虚拟3D支架（AV-Scaf）技术实现了肿瘤类器官的无基质胶培养，并进一步构建了肿瘤类器官-T细胞共培养系统。该文章为实现无基质胶的肿瘤类器官培养以及构建高效的肿瘤类器官免疫共培养系统提供了全新的思路和方法。
首先，作者通过超声换能器和透镜产生聚焦声涡旋，实现了肿瘤细胞在焦平面内的聚集（图1）。设计的涡旋聚焦声场将肿瘤细胞聚集成适当大小的细胞簇，同时施加非接触的机械力刺激，促进了细胞间的交互，并诱导它们进一步自组织形成类器官。在系统设计上，作者通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm）制作了培养腔室的支撑结构。在RNA测序（RNA-seq）分析中，超声波刺激可以显著增强钙离子的流入，从而加速细胞团簇的细胞间相互作用过程。
图1. AV-Scaf技术形成肿瘤类器官。
为了验证AV-Scaf构建无支架肿瘤类器官的能力，研究人员设计了相应的培养系统（图2A）。研究人员选择了100 mV作为最终的换能器驱动电压。图2E和2F分别展示了乳腺癌和黑色素瘤类器官生长照片。如图2G所示，通过AV-Scaf形成的乳腺癌和黑色素瘤类器官的尺寸和形态与在Matrigel培养中形成的非常接近。研究人员进一步对两种方法获得的肿瘤类器官进行了免疫荧光（IF）染色（图2H和2I）。结果表明，两种技术产生的肿瘤类器官都能够表达与原始组织对应的特定标志物。
图2. AV-Scaf培养乳腺癌和黑色素瘤类器官。
然后，研究人员对通过AV-Scaf方法产生的黑色素瘤类器官进行了RNA-seq分析（图3）。GO富集分析显示，AV-Scaf方法处理后的肿瘤细胞在细胞粘附、钙离子转运和信号转导等过程中存在显著的基因富集（图3E和3F）。对与钙离子和细胞黏附相关的基因进行热图分析（图3G和3H），表明AV-Scaf方法促进了细胞内钙流入以及增强了细胞黏附行为，这显著加速了细胞之间的相互作用，从而促进了肿瘤细胞的自组织过程。
图3. 基于AV-Scaf的肿瘤类器官与肿瘤细胞的转录组学比较。
研究人员进一步展示了基于AV-Scaf方法建立肿瘤类器官-T细胞共培养系统的过程（图4）。为了验证共培养系统的有效性，研究人员建立了两种T细胞与肿瘤细胞比例的共培养模型，并探索了不同T细胞比例对肿瘤类器官的细胞杀伤作用。
图4. AV-Scaf建立直接相互作用肿瘤类器官-T细胞共培养系统。
总结：研究人员开发的AV-Scaf技术为肿瘤生物学和免疫治疗提供了一个高效的研究模型，特别是在评估T细胞介导的肿瘤杀伤效应和免疫治疗策略的开发中显示出了巨大的潜力。AV-Scaf得到的直接相互作用的肿瘤类器官免疫共培养系统，不仅能更真实地模拟肿瘤微环境，还为高通量筛选和个性化医疗的应用开辟了新的可能。未来，该技术有望被应用于更广泛的肿瘤类器官类型和共培养类型的研究中，进一步推动个体化癌症治疗的发展。
原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4831
