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为解决传统二维细胞培养无法准确模拟体内组织环境，影响同步辐射微束放疗（MRT）临床研究的问题，研究人员开展 3D 生物打印明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶构建胶质瘤模型的研究，发现 MRT 比同步辐射宽束（SBB）更能杀死胶质瘤细胞，推动了 MRT 研究进展。
在现代医学的抗癌征程中，胶质瘤这一 “恶魔” 严重威胁着人类健康。它是中枢神经系统中最常见的肿瘤，起源于神经胶质细胞，其中多形性胶质母细胞瘤（GBM）恶性程度极高，常规的手术、化疗、免疫疗法和放射疗法往往难以将其彻底击败。传统的全脑放疗（WBRT）虽能治疗脑肿瘤，但会影响大脑功能，引发认知障碍等问题。即便强度调制放射疗法和质子疗法等新技术能减少对正常组织的剂量，但肿瘤的放射抗性和正常组织的耐受极限，依旧限制着放疗效果。而同步辐射微束放疗（MRT）作为一种创新的癌症治疗方法，采用微米级超高剂量率的空间分馏 X 射线，有望在控制肿瘤生长的同时，减少对健康组织的损害，成为抗癌战场上的 “新希望”。然而，目前 MRT 的临床前实验大多依赖传统的二维细胞培养，这种培养方式无法精准模拟体内复杂的组织环境，使得研究进展受阻。
为了打破这一困境，来自澳大利亚伍伦贡大学医学辐射物理中心、菲律宾马尼拉大学等机构的研究人员，开启了一场意义非凡的探索之旅。他们致力于提出一种 3D 生物打印 GelMA 水凝胶的方案，并对比细胞单层、球体模型，对 3D 生物打印的胶质瘤模型进行研究，为 MRT 的发展寻找新的突破口。最终，他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为抗癌研究领域带来了新的曙光。
在这场探索中，研究人员运用了多种关键技术方法。3D 生物打印技术（3D bioprinting）是其中的核心，它能将生物墨水、生物材料和细胞层层堆叠，构建出模拟体内环境的 3D 细胞模型。同步辐射技术（Synchrotron Radiation）则为实验提供了特殊的 X 射线源，用于产生 MRT 和同步辐射宽束（SBB）。此外，蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation）帮助研究人员了解辐射剂量分布，而细胞活力检测（如 WST - 1 法）和荧光显微镜成像技术，能直观观察细胞对辐射的反应。
研究人员首先对生物墨水进行优化，制备了不同浓度的 GelMA 水凝胶生物墨水，通过调整 3D 打印机参数，如温度、速度和流量等，筛选出最佳的打印条件，以确保生物打印结构的准确性和细胞的活性。在细胞培养方面，选用了 9L 大鼠胶质肉瘤细胞和 U87 人恶性胶质瘤细胞，分别制备了 2D 单层细胞、3D 球体细胞和 3D GelMA 包封的细胞模型。
在辐射实验中，研究人员利用同步辐射产生的 SBB 和 MRT，对不同的细胞模型进行照射，剂量设定为 5Gy、10Gy 和 20Gy 。同时，他们使用 3D 打印的大鼠和成人头部模型，模拟临床放疗场景，测量不同模型中的剂量分布，评估 MRT 和 SBB 对细胞活力的影响。
实验结果令人振奋。从水凝胶的衰减系数和 CT 值来看，GelMA 和对照物质 Lutrol 在 45 - 65keV 能量范围内衰减值相似，且 CT 值与水和软组织相近，这表明 GelMA 适用于模拟体内组织环境。在微束放疗剂量测定中，研究发现大鼠模型的峰谷剂量比（PVDR）最高，而人体头部模型最低，这意味着在不同的组织环境中，MRT 的剂量分布和效果存在差异。
在细胞模型对比实验中，随着辐射剂量的增加，U87 和 9L 细胞的单层和 3D GelMA 包封细胞的活力均下降。MRT 的谷剂量比 SBB 杀死更多的 U87 和 9L 细胞，这得益于 MRT 的高峰剂量导致细胞坏死，以及低峰剂量引发的旁观者效应。此外，3D 生物打印的 9L 胶质瘤细胞在大鼠模型中，MRT 治疗后的细胞活力明显低于 SBB 治疗，这与大鼠模型中较高的 PVDR 密切相关。
通过荧光成像技术，研究人员观察到 PI 荧光强度随辐射剂量增加而增强，3D 生物打印的 U87 细胞在接受 20Gy MRT 谷剂量照射后，出现了与 MRT 峰剂量相对应的条纹状 PI 信号，这直观地展示了 MRT 对细胞的损伤分布。同时，3D 球体细胞在接受 MRT 治疗后，直径显著减小，生长速率延迟，进一步证明了 MRT 的治疗效果。
综合研究结果和讨论部分，这项研究具有重大意义。它成功建立了一种 3D 生物打印 GelMA 水凝胶构建胶质瘤模型的方案，为研究 MRT 的生物学效应提供了更接近体内环境的模型。研究发现 3D 生物打印的 GelMA 细胞构建体与传统的单层和球体模型相比，具有不同的放射生物学反应，有助于深入理解肿瘤对放疗的反应机制。此外，研究结果为未来开发更复杂的 3D 细胞培养模型提供了基础，有望在考虑正常组织保护的同时，更好地控制肿瘤。这一研究成果不仅推动了 MRT 的研究进展，还为减少动物实验、实现 MRT 的临床转化带来了新的希望，在抗癌研究的道路上迈出了坚实的一步。
