用于探究脑肿瘤与内皮细胞相互作用的功能相关模型

脑肿瘤微环境研究中开发出新型动态共培养模型，优化培养基维持组3脑肿瘤细胞干细胞特性及脑微血管内皮细胞屏障功能，为机制研究与靶向治疗提供可靠平台。

　　
脑肿瘤微环境与血管内皮细胞共培养模型的创新研究

肿瘤微环境作为现代肿瘤学研究的重要领域，其复杂的细胞间相互作用机制始终是制约临床治疗的关键因素。近年来，针对脑肿瘤微环境的机制探索取得显著进展，但传统研究手段存在样本稀缺性、模型静态性及细胞互作真实性不足等固有缺陷。由曼尼托巴大学病理学系Akaljot Grewal领衔的研究团队，通过系统性优化细胞共培养条件，成功构建了人源G3髓母细胞瘤（Group 3 medulloblastoma, G3 MB）与微血管脑内皮细胞（microvascular brain endothelial cells, BECs）的动态共培养模型。该成果为解析肿瘤-血管互作机制提供了全新研究范式，在《自然·通讯》等顶级期刊发表后引发学界广泛关注。

一、研究背景与科学问题
脑肿瘤微环境的动态平衡是肿瘤进展与转移的核心机制。G3 MB作为儿童脑癌中最具侵袭性的亚型，其5年生存率不足60%（Cavalli et al., 2017），其恶性特征与胚胎干细胞样表型（干细胞标志物SOX2、OTX2高表达）密切相关（Hendrikse et al., 2022）。研究显示，G3 MB通过建立独特的肿瘤-血管微环境实现自我更新和远处转移（Abeysundara et al., 2025），其中血管内皮细胞不仅构成物理屏障，更通过分泌细胞因子和形成紧密连接调控肿瘤进展。

传统研究手段存在显著局限性：首先，异种移植模型（如裸鼠移植瘤）难以准确模拟人类肿瘤微环境，且实验周期长达数月；其次，单细胞测序和固定组织病理学分析存在时空分辨率不足的问题；再者，现有共培养体系多采用简单混合培养，导致细胞表型漂变（如BECs失去迁移特性）或功能异常（如肿瘤干细胞标志物表达降低）。这些技术瓶颈严重制约了肿瘤微环境机制的研究深度。

二、创新方法与关键技术突破
研究团队针对上述问题，开发出具有突破性的三重优化方案。在培养基配方方面，首创1:1混合培养液体系，通过精准配比干细胞富集培养基（SSM）与脑内皮细胞专用培养基（BECM），在满足G3 MB细胞自我更新需求（维持SOX2表达>85%）的同时，确保BECs形成功能性紧密连接（间隙连接蛋白Cx43表达量提升40%）。这种动态平衡的培养基配方成功解决了既往研究中普遍存在的"营养竞争"问题，使两种细胞在72小时内即可形成稳定的三维共培养结构。

在培养体系构建方面，采用梯度培养装置实现细胞层级的物理分隔（G3 MB位于基底层，BECs位于顶层），既保持细胞间直接接触，又避免不必要的机械干扰。该装置通过可调节孔径的微孔滤膜（孔径50±2μm），确保细胞间距在50-100μm范围内，完美模拟体内血管-肿瘤细胞接触距离（Visvanathan et al., 2024）。特别值得关注的是，培养系统配备实时氧含量监测模块（波动范围±0.5%），通过智能调控维持5% CO?和37℃±0.3℃环境，有效解决了传统共培养中存在的代谢产物毒性累积问题。

三、关键实验结果与机制验证
实验数据显示，优化后的共培养体系在保持细胞功能完整性的前提下，显著增强了互作效应的可观测性。G3 MB细胞在混合培养基中仍保持未分化形态（碱性磷酸酶染色阳性率92%），且干细胞自我更新能力提升至对照组的1.8倍（P<0.01）。与之形成对照的是，单独培养的BECs在常规条件下紧密连接蛋白（occludin）表达量下降35%，但在新型共培养系统中其形成功能性紧密连接的能力恢复至正常水平的87%。

通过高通量筛选发现，共培养体系中肿瘤细胞会分泌Wnt/β-catenin信号通路激活剂（如R-spondin蛋白），这些信号分子通过诱导内皮细胞产生促血管生成因子（如VEGF-A），形成自增强的正反馈循环。这种"血管-肿瘤共生"机制在G3 MB模型中尤为显著，实验显示其血管生成速度较传统模型快3倍，且血管内皮细胞异常增殖率降低至12%（对照组为38%）。

四、方法学优势与临床转化潜力
相较于现有研究（Goers et al., 2014；Kapoore et al., 2022），本模型具有三大核心优势：首先，通过动态培养基配方（含0.5% L-谷氨酰胺和1%胎牛血清替代物），使两种细胞在72小时内即可建立稳定互作网络，较传统方法缩短培养周期60%；其次，采用活细胞成像技术（incuCyte ZПродукт）实现了共培养体系中细胞间通讯的连续监测，可捕捉到单个BECs与5-8个肿瘤细胞之间的特异性接触事件；最后，系统具备模块化设计，可根据研究需求快速切换培养条件（如氧浓度梯度、机械刺激频率等）。

在机制解析方面，研究团队发现G3 MB通过分泌外泌体（exosomes）调控内皮细胞功能。透射电镜观察显示，这些外泌体（直径30-150nm）在共培养体系中形成"细胞间纳米通道"，促进Notch信号通路的异常激活。通过CRISPR筛选技术，研究证实DLL1基因在肿瘤-内皮互作中起关键作用，其敲除可使血管新生抑制达75%。这一发现为靶向Notch通路的治疗提供了新思路。

五、临床转化前景与多学科应用
该模型在临床转化方面展现出巨大潜力：通过模拟G3 MB的典型组织特征（如血脑屏障穿透性），成功实现了化疗药物（如替莫唑胺）渗透率的动态监测。实验数据显示，在共培养体系中，药物渗透效率较单一培养模型提升2.3倍（P<0.001），这与临床前研究显示的肿瘤血管渗透性改善相吻合。

此外，该模型已成功应用于多种治疗策略的测试：①靶向血管正常化的药物组合（如VEGF抑制剂+PDGF受体拮抗剂）可使肿瘤血管形成减少58%；②间充质干细胞（MSCs）共培养实验表明，MSCs能显著抑制G3 MB的迁移能力（P<0.05）；③通过代谢组学分析发现，共培养体系中乳酸浓度（5.8±0.3 mmol/L）与血管生成呈显著正相关（r=0.82, P<0.01）。

六、学科交叉创新与未来方向
本研究突破性地将肿瘤微环境研究、生物工程学及计算生物学有机结合。通过开发新型共培养装置（获3项国际专利），实现了细胞-微流道-生物反应器的三维集成。结合机器学习算法（基于TensorFlow的CellInteract模型），可自动解析10^6+个细胞接触事件的时间序列特征。这种多学科交叉方法不仅解决了传统共培养模型的功能单一性问题，更为开发个性化治疗策略提供了数据基础。

未来研究将聚焦三个方向：①建立脑肿瘤微环境生物信息学数据库（目标收录500+种细胞互作模式）；②开发可植入式微流控芯片（尺寸2cm×2cm，功率<5W），实现活体肿瘤血管的持续监测；③结合类器官技术，构建包含肿瘤细胞、内皮细胞、免疫细胞的多细胞共培养体系。研究团队已获得CIHR资助（项目编号#156745），计划在2026年前完成首个临床前转化项目。

该研究的重要启示在于：肿瘤微环境的精准建模必须兼顾细胞功能完整性与相互作用真实性。传统单层培养模式难以满足这一需求，而新型共培养体系通过系统优化培养基、物理结构和检测方法，为揭示肿瘤-血管共生机制提供了可靠平台。这种技术范式不仅适用于髓母细胞瘤研究，更为胶质母细胞瘤、脑转移癌等脑肿瘤亚型的机制探索奠定了方法论基础。