Integration of 3D bioprinting and multi-algorithm machine learning identified glioma susceptibilities and microenvironment characteristics

胶质瘤 3D生物打印 肿瘤微环境 抗血管生成治疗 计算机科学 癌症研究 血管生成 计算生物学 机器学习 医学 生物 肿瘤细胞 生物医学工程 组织工程
作者
Min Tang,Shan Jiang,Xiaoming Huang,Chunxia Ji,Yexin Gu,Ying Qi,Yi Xiang,Emmie Yao,Nancy R. Zhang,Emma Berman,Di Yu,Yunjia Qu,Longwei Liu,David B. Berry,Yao Yu
出处
期刊:Cell discovery [Springer Nature]
卷期号:10 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41421-024-00650-7
摘要

Abstract Glioma, with its heterogeneous microenvironments and genetic subtypes, presents substantial challenges for treatment prediction and development. We integrated 3D bioprinting and multi-algorithm machine learning as a novel approach to enhance the assessment and understanding of glioma treatment responses and microenvironment characteristics. The bioprinted patient-derived glioma tissues successfully recapitulated molecular properties and drug responses of native tumors. We then developed GlioML, a machine learning workflow incorporating nine distinct algorithms and a weighted ensemble model that generated robust gene expression-based predictors, each reflecting the diverse action mechanisms of various compounds and drugs. The ensemble model superseded the performance of all individual algorithms across diverse in vitro systems, including sphere cultures, complex 3D bioprinted multicellular models, and 3D patient-derived tissues. By integrating bioprinting, the evaluative scope of the treatment expanded to T cell-related therapy and anti-angiogenesis targeted therapy. We identified promising compounds and drugs for glioma treatment and revealed distinct immunosuppressive or angiogenic myeloid-infiltrated tumor microenvironments. These insights pave the way for enhanced therapeutic development for glioma and potentially for other cancers, highlighting the broad application potential of this integrative and translational approach.
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