Разработка и характеристика трехмерных клеточных моделей солидных опухолей для индивидуализации лечения онкологических больных

Разработка и характеристика трехмерных клеточных моделей солидных опухолей для индивидуализации лечения онкологических больных

Автор: Данилова Анна Борисовн, Нехаева Татьяна Леонидовна, Ефремова Наталья Александровна, Майдин Михаил Александрович, Федорос Елена Ивановна, Балдуева Ирина Александровна

Журнал: Сибирский онкологический журнал @siboncoj

Рубрика: Лабораторные и экспериментальные исследования

Статья в выпуске: 5 т.20, 2021 года.

Бесплатный доступ

Введение. Для решения задач персонализированной медицины в онкологии важным становится этап предклинических исследований, основанный на использовании трехмерных клеточных моделей опухолей in vitro, в том числе сфероидов/тумороидов, которые представляют собой интересный инструмент для генетических, эпигенетических, биомедицинских и фармакологических исследований с целью определения наиболее эффективного индивидуального терапевтического подхода, так как позволяют моделировать динамическую эволюцию опухолевого заболевания от ранних стадий до метастатического распространения через взаимодействие с микроокружением. Цель исследования - провести сравнительные исследования особенностей формирования и пространственной организации сфероидов, полученных из клеток солидных злокачественных новообразований различного гистогенеза: меланом (МК), сарком мягких тканей и остеогенных сарком (СМТ/ОС), эпителиальных опухолей (ЭОп). Материал и методы. Основой для создания 3D-клеточных моделей служили культуры клеток солидных опухолей пациентов, которые проходили лечение в ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова» в 2015-21 гг. Фрагменты опухолевой ткани были получены интраоперационно: 15 образцов МК, 20 - СМТ/ОС и 9 -ЭОп. Все опухолевые клетки культивировали не менее 10 пассажей. Для изучения сфероидов были использованы методы фазовой контрастной, конфокальной микроскопии, гистологическая техника. С помощью методов ИФА и мультиплексного анализа были изучены супернатанты монослойных клеточных культур и сфероидов на предмет присутствия широкого спектра биологически активных веществ, обеспечивающих процессы иммуносупрессии, инвазии и метастазирования. результаты. Использование низкоадгезивных поверхностей оказалось предпочтительным для получения сфероидов заданной посевной концентрации и интересующего размера. Среднее время культивирования сфероидов составило 4,7 сут, оптимальная посевная концентрация - 10 000 клеток на лунку, при этом диаметр сфероида варьировал от 300 до 1 000 мкм в зависимости от типа злокачественных клеток: самые крупные сфероиды формировали культуры МК. В целом эффективность образования сфероидов составила 88,6 % (39 из 44). Введение в 3D-конструкцию фибробластов приводило к усилению инвазивного потенциала опухолевых клеток, который был ассоциирован с продукцией IL8 (rho=0,636, p=0,035), HGF (rho=0,850, p=0,004), SCF (rho=0,857, p=0,014), FST (rho=0,685, p=0,029), Prolactin (rho=0,810, p=0,015), PECAM1 (rho=0,788, p=0,004). Заключение. Технология низкоадгезивных поверхностей позволяет успешно создавать трехмерные модели опухолевого узла из клеток злокачественных новообразований различного гистогенеза. Заселение трехмерной конструкции фибробластами усиливает биологически агрессивные свойства опухолевых клеток и демонстрирует сложные реципрокные взаимодействия между клеточными элементами стромы опухоли и малигнизированными клетками, что приближает модель к реальной клинической ситуации.

Еще

Солидные опухоли, сфероиды, тумороиды, инвазивный потенциал, персонализированная медицина

Короткий адрес: https://sciup.org/140261358

IDR: 140261358   |   DOI: 10.21294/1814-4861-2021-20-5-58-74

Список литературы Разработка и характеристика трехмерных клеточных моделей солидных опухолей для индивидуализации лечения онкологических больных

  • Colella G., Fazioli F., Gallo M., De Chiara A., Apice G., Ruosi C., Cimmino A., de Nigris F. Sarcoma Spheroids and Organoids-Promising Tools in the Era of Personalized Medicine. Int J Mol Sci. 2018 Feb 21; 19(2): 615. doi: 10.3390/ijms19020615.
  • Zanoni M., Cortesi M., Zamagni A., Arienti C., Pignatta S., Tesei A. Modeling neoplastic disease with spheroids and organoids. J Hematol Oncol. 2020 Jul 16; 13(1): 97. doi: 10.1186/s13045-020-00931-0.
  • Langhans S.A. Three-Dimensional in Vitro Cell Culture Models in Drug Discovery and Drug Repositioning. Front Pharmacol. 2018 Jan 23; 9: 6. doi: 10.3389/fphar.2018.00006.
  • Egeblad M., Nakasone E.S., Werb Z. Tumors as organs: complex tissues that interface with the entire organism. Dev Cell. 2010 Jun 15; 18(6): 884–901. doi: 10.1016/j.devcel.2010.05.012.
  • Tabassum D.P., Polyak K. Tumorigenesis: it takes a village. Nat Rev Cancer. 2015 Aug; 15(8): 473–83. doi: 10.1038/nrc3971.
  • Bassi G., Grimaudo M.A., Panseri S., Montesi M. Advanced Multi-Dimensional Cellular Models as Emerging Reality to Reproduce In Vitro the Human Body Complexity. Int J Mol Sci. 2021; 22(3): 1195. doi: 10.3390/ijms22031195.
  • Sakalem M.E., De Sibio M.T., da Costa F.A.D.S., de Oliveira M. Historical evolution of spheroids and organoids, and possibilities of use in life sciences and medicine. Biotechnol J. 2021 May; 16(5): e2000463. doi: 10.1002/biot.202000463.
  • Drost J., Clevers H. Organoids in cancer research. Nat Rev Cancer. 2018 Jul; 18(7): 407–418. doi: 10.1038/s41568-018-0007-6.
  • Magin C.M., Alge D.L., Anseth K.S. Bio-inspired 3D microenvironments: a new dimension in tissue engineering. Biomed Mater. 2016 Mar 4; 11(2): 022001. doi: 10.1088/1748-6041/11/2/022001.
  • Gilazieva Z., Ponomarev A., Rutland C., Rizvanov A., Solovyeva V. Promising applications of tumor spheroids and organoids for personalized medicine. Cancers. 2020; 12(10): 1–19. doi: 10.3390/cancers12102727.
  • Freshney R.I. Culture of animal cells: a manual of basic technique and specialized applications. John Wiley Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA. 6th ed., 2010. 732 p.
  • Danilov A.O., Larin S.S., Danilova A.B., Moiseenko V.M., Baldueva I.A., Kiselev S.L., Turkevich E.A., Barchuk A.S., Anisimov V.V., Gafton G.I., Kochnev V.A., Khanson K.P. An improved procedure for autologous gene-modified cancer vaccine preparation for active specific immunotherapy of disseminated solid tumors. Problem in Oncology. 2004; 50(2): 219–27.
  • Geraldo S., Simon A., Vignjevic D.M. Revealing the cytoskeletal organization of invasive cancer cells in 3D. J Vis Exp. 2013; (80): e50763. doi: 10.3791/50763.
  • Everitt B.S., Pickles A. Statistical Aspects of the Design and Analysis of Clinical Trials. Imperial College Press. 2004. 340 p.
  • Nakatzuji N. Studies on the Gastrulation of Amphibian Embryos: Cell Movement during Gastrulation in Xenopus laevis Embryos. Wilhelm Roux Arch. 1975; 178: 1–14.
  • Sutherland R.M., McCredie J.A., Inch W.R. Growth of multicell spheroids in tissue culture as a model of nodular carcinomas. J Natl Cancer Inst. 1971 Jan; 46(1): 113–20.
  • Yuhas J.M., Tarleton A.E., Molzen K.B. Multicellular tumor spheroid formation by breast cancer cells isolated from different sites. Cancer Res. 1978 Aug; 38(8): 2486–91.
  • Katt M.E., Placone A.L., Wong A.D., Xu Z.S., Searson P.C. In Vitro Tumor Models: Advantages, Disadvantages, Variables, and Selecting the Right Platform. Front Bioeng Biotechnol. 2016 Feb 12; 4: 12. doi: 10.3389/fbioe.2016.00012.
  • Weiswald L.B., Bellet D., Dangles-Marie V. Spherical cancer models in tumor biology. Neoplasia. 2015 Jan; 17(1): 1–15. doi: 10.1016/j.neo.2014.12.004.
  • Han S.J., Kwon S., Kim K.S. Challenges of applying multicellular tumor spheroids in preclinical phase. Cancer Cell Int. 2021 Mar 4; 21(1): 152. doi: 10.1186/s12935-021-01853-8.
  • Chan H.F., Zhang Y., Ho Y.P., Chiu Y.L., Jung Y., Leong K.W. Rapid formation of multicellular spheroids in double-emulsion droplets with controllable microenvironment. Sci Rep. 2013 Dec 10; 3: 3462. doi: 10.1038/srep03462.
  • Wrenn E., Huang Y., Cheung K. Collective metastasis: coordinating the multicellular voyage. Clin Exp Metastasis. 2021 Aug; 38(4): 373–399. doi: 10.1007/s10585-021-10111-0.
  • Smyrek I., Mathew B., Fischer S.C., Lissek S.M., Becker S., Stelzer E.H.K. E-cadherin, actin, microtubules and FAK dominate different spheroid formation phases and important elements of tissue integrity. Biol Open. 2019 Jan 24; 8(1): bio037051. doi: 10.1242/bio.037051.
  • Tannock I.F., Lee C.M., Tunggal J.K., Cowan D.S., Egorin M.J. Limited penetration of anticancer drugs through tumor tissue: a potential cause of resistance of solid tumors to chemotherapy. Clin Cancer Res. 2002 Mar; 8(3): 878–84.
  • Belli C., Trapani D., Viale G., D'Amico P., Duso B.A., DellaVigna P., Orsi F., Curigliano G. Targeting the microenvironment in solid tumors. Cancer Treat Rev. 2018 Apr; 65: 22–32. doi: 10.1016/j.ctrv.2018.02.004.
  • Tzanakakis E.S., Hansen L.K., Hu W.S. The role of actin filaments and microtubules in hepatocyte spheroid self-assembly. Cell Motil Cytoskeleton. 2001 Mar; 48(3): 175–89. doi: 10.1002/1097-0169(200103)48:3-175::AID-CM1007-3.0.CO;2-2.
  • Yoshii Y., Waki A., Yoshida K., Kakezuka A., Kobayashi M., Namiki H., Kuroda Y., Kiyono Y., Yoshii H., Furukawa T., Asai T., Okazawa H., Gelovani J.G., Fujibayashi Y. The use of nanoimprinted scaffolds as 3D culture models to facilitate spontaneous tumor cell migration and wellregulated spheroid formation. Biomaterials. 2011 Sep; 32(26): 6052–8. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.04.076.
  • Raica M., Cimpean A.M., Ribatti D. Angiogenesis in pre-malignant conditions. Eur J Cancer. 2009 Jul; 45(11): 1924–34. doi: 10.1016/j.ejca.2009.04.007.
  • Szade A., Grochot-Przeczek A., Florczyk U., Jozkowicz A., Dulak J. Cellular and molecular mechanisms of inflammation-induced angiogenesis. IUBMB Life. 2015 Mar; 67(3): 145–59. doi: 10.1002/iub.1358.
  • van Dijk M., Göransson S.A., Strömblad S. Cell to extracellular matrix interactions and their reciprocal nature in cancer. Exp Cell Res. 2013 Jul 1; 319(11): 1663–70. doi: 10.1016/j.yexcr.2013.02.006.
  • Byrne H.M. Dissecting cancer through mathematics: from the cell to the animal model. Nat Rev Cancer. 2010 Mar; 10(3): 221–30. doi: 10.1038/nrc2808.
  • Costa E.C., Gaspar V.M., Coutinho P., Correia I.J. Optimization of liquid overlay technique to formulate heterogenic 3D co-cultures models. Biotechnol Bioeng. 2014 Aug; 111(8): 1672–85. doi: 10.1002/bit.25210.
  • Friedrich J., Seidel C., Ebner R., Kunz-Schughart L.A. Spheroidbased drug screen: considerations and practical approach. Nat Protoc. 2009; 4(3): 309–24. doi: 10.1038/nprot.2008.226.
  • Shao H., Moller M., Wang D., Ting A., Boulina M., Liu Z.J. A Novel Stromal Fibroblast-Modulated 3D Tumor Spheroid Model for Studying Tumor-Stroma Interaction and Drug Discovery. J Vis Exp. 2020; (156). doi: 10.3791/60660.
  • Weydert Z., Lal-Nag M., Mathews-Greiner L., Thiel C., Cordes H., Küpfer L., Guye P., Kelm J.M., Ferrer M. A 3D Heterotypic Multicellular Tumor Spheroid Assay Platform to Discriminate Drug Effects on Stroma versus Cancer Cells. SLAS Discov. 2020; 25(3): 265–276. doi: 10.1177/2472555219880194.
  • Pinto B., Henriques A.C., Silva P.M.A., Bousbaa H. Three-Dimensional Spheroids as In Vitro Preclinical Models for Cancer Research. Pharmaceutics. 2020 Dec 6; 12(12): 1186. doi: 10.3390/pharmaceutics12121186.
  • Biffi G., Tuveson D.A. Diversity and Biology of Cancer-Associated Fibroblasts. Physiol Rev. 2021 Jan; 101(1): 147–176. doi: 10.1152/physrev.00048.2019.
  • Dzobo K. Taking a Full Snapshot of Cancer Biology: Deciphering the Tumor Microenvironment for Effective Cancer Therapy in the Oncology Clinic. OMICS. 2020 Apr; 24(4): 175–179. doi: 10.1089/omi.2020.0019.
  • Hanahan D., Weinberg R.A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 2011 Mar 4; 144(5): 646–74. doi: 10.1016/j.cell.2011.02.013.
  • Öhlund D., Elyada E., Tuveson D. Fibroblast heterogeneity in the cancer wound. J Exp Med. 2014 Jul; 211(8): 1503–23. doi: 10.1084/jem.20140692.
  • Fiori M.E., Di Franco S., Villanova L., Bianca P., Stassi G., De Maria R. Cancer-associated fibroblasts as abettors of tumor progression at the crossroads of EMT and therapy resistance. Mol Cancer. 2019 Mar 30; 18(1): 70. doi: 10.1186/s12943-019-0994-2.
  • Denton A.E., Roberts E.W., Fearon D.T. Stromal Cells in the Tumor Microenvironment. Adv Exp Med Biol. 2018; 1060: 99–114. doi: 10.1007/978-3-319-78127-3_6.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp