Otpornost na lečenje raka se često pripisuje heterogenoj ćelijskoj prirodi unutar tumora. Interakcija tumorske ćelije-ćelija i ćelija-mikrookruženje imaju ključnu ulogu u invaziji i progresiji tumora sa važnim teranostičkim implikacijama.
U novoj studiji objavljenoj u Scientific Reports, Nafiseh Moghimi i tim istraživača u oblasti primenjene matematike na Univerzitetu Vaterlo u Kanadi, medicine i inženjeringa na Harvardskoj medicinskoj školi i Brigam i ženskoj bolnici u SAD, i medicinske genetike na Univerzitetu Jeditepe u Turskoj , bioinženjering bioštampani in vitro modeli mikrookruženja tumora raka dojke napravljeni od ko-kulturnih ćelija pomešanih u hidrogel matriksu. Dobro regulisana arhitektura olakšala je razvoj heterogenosti modela tumora.
Tim je predložio i razvio hipotezu za predstavljanje tumora korišćenjem hidrogelnog konstrukta kokulture opterećene ćelijama raka. Oni su to postigli modeliranjem mikrookruženja od interesa u mikrofluidnom čipu da bi proizveli hemijski gradijent.
Tim je koristio ćelije raka dojke i ne-tumorigene epitelne ćelije dojke ugrađene u alginat-želatinovodne hidrogelove, koje su štampali korišćenjem bioštampača za ekstruziju sa više kartridža.
Rezultati su omogućili precizna podešavanja i položaj ćelija i aranžmane u sistemu ćelijske ko-kulture kako bi se dizajnirale različite arhitekture tumora koji oponašaju pacijente. Postigli su heterogenost tumora nasumičnim mešanjem i pozicioniranjem ćelija u uzastopne slojeve.
Moghimi i tim su osmislili hemijsko okruženje za hemo-atrakciju i konstruisali odličnu platformu za proučavanje ponašanja ćelija raka sa prostorno-vremenskom rezolucijom.
Rak dojke se obično javlja kod žena, sa više od 2 miliona novih slučajeva prijavljenih u 2018. Agresivnost bolesti je posledica heterogenosti tumora dojke što dovodi do izazova lečenja.
Pošto konvencionalnim modelima nedostaje ćelijska heterogenost raka dojke, teško je proučavati njihovu zavisnost od spoljašnjih stimulansa, ispitati njihovo formiranje i proučavati njihovu fiziologiju.
Mikrofluidne platforme nude in vitro instrument za oponašanje fizičkih i hemijskih stimulusa tokom migracije ćelija. Bioštampanje je nedavno privuklo veliku pažnju zbog svoje sposobnosti da izgradi konstrukte tkiva pozicioniranjem ćelija i biomaterijala precizno u proceduri sloj po sloj.
Koristeći metodu, štampali su žive ćelije i komponente ekstracelularnog matriksa zajedno kako bi formirali biomastilo koje je rekapituliralo sastav i geometriju mikrookruženja tumora, uz održavanje vitalnosti ćelija. Moghinijev istraživački tim je uspostavio platformu za modeliranje fenotipske heterogenosti koja je nastala zbog lokalizacije ćelije u tumoru. Ovo su postigli kombinovanjem pristupa 3D bioštampanja za in vitro modeliranje tumora sa mikrofluidnim uređajima kako bi stvorili model mikrookruženja koji emulira kompleksne arhitekture tumora izvan konvencionalnih metoda.
Tokom eksperimenata, tim je pripremio i odštampao različite hidrogelove sa alginatom i želatinom koristeći NEVEROVATNI bioprinter. Mali prečnik mlaznice doveo je do razvoja konstrukcije visoke rezolucije, ali su ove dimenzije povećale mogućnost oštećenja ćelija usled izuzetno visokog pritiska ekstruzije.
Tim je nastavio sa bioštampanjem sa 22G mlaznicom koja je vršila manji pritisak za povoljnu održivost ćelija. Koncept vitalnosti ćelije nudi uspešnu proizvodnju ćelija štampanih konstrukata. Tim je sproveo nizove kako bi osigurao održivost i homogenost živih ćelija unutar konstrukta primenom pritiska, stanja filamenta i kvaliteta štampane strukture na osnovu veličine mlaznice i sastava hidrogela.
Naučnici su vizuelizovali distribuciju ćelija u štampanim konstruktima korišćenjem ćelijskih membrana prethodno obojenih zelenim fluorescentnim membranskim markerom pre štampanja i odmah ih snimili nakon štampanja konfokalnim mikroskopom. Rezultati su pokazali homogenu distribuciju ćelija u konstruktu.
Tim je utvrdio održivost različitih ćelija nakon što ih je štampao korišćenjem testa bojenja živih mrtvih i isporučio vitalnost ćelija kao suštinski faktor za uspešnu proizvodnju konstrukata štampanih ćelija.
Tim je zatim kombinovao ćelije raka MCF7 iz ćelijske linije adenokarcinoma dojke i MDA-MB-231, agresivnog oblika trostruko negativne ćelijske linije raka dojke, sa mezenhimalnim karakteristikama i prethodno ih obojio crvenim i zelenim biomarkerima pre štampanja.
U početku su pripremili dva biomastila odvojeno od svakog tipa ćelije i štampali ih uzastopno. Dok je prvi sloj štampane strukture bio u kontaktu sa crveno obojenom ćelijskom strukturom, drugi sloj je ležao na njoj, obojen zelenom bojom. Tim je obezbedio mešavinu dve vrste ćelija i zajedno ih kultivisao u 2D komori tokom odvojenog eksperimenta kako bi pokazao kako postupak bojenja nije uticao na rast ćelija.
Istraživači su proučavali rast i agregaciju ćelija unutar bioštampanih ko-kultura i odvojeno štampanih 3D konstrukta koji sadrže svaki tip ćelije i uporedili ih sa konstruktom koji sadrži mešavinu ćelija dva tipa ćelija u biomastilu u okviru 10-dnevnog eksperimentalnog vremenskog okvira u tumoru. kao konstrukti i istraživali ćelijsko ponašanje u alginat-želatinskim hidrogelovima.
Tim je koristio epitelni faktor rasta kao hemoatraktantni materijal i primetio migraciju ćelija unutar ko-kultura mikrofluidnog uređaja. Moghimi i kolege su koristili bioštampane konstrukte da formiraju različite arhitekture tumora i posmatrali su dinamiku migracije ćelija u odnosu na okolne nekancerozne ćelije.
Na ovaj način, Nafiseh Moghimi i istraživači dali su primer heterogenosti tumora da bi bioinžinjering mikrookruženje tumora na instrumentu za čipove organa. Tim je implementirao model tumora na čipu putem 3D bioštampanja dva različita tipa raka dojke i netumogenih epitelnih ćelija dojke da bi razumeo molekularne i ćelijske mehanizme koji leže u osnovi heterogenosti tumora i otpornosti na lečenje. Takva istraživanja mogu direktno da informišu o dijagnostici tumora i terapijskom tretmanu da bi se razumela hemorezistentnost.
Interakcija tumorske ćelije i ćelije i interakcije tumor-tumor mikrookruženje imaju značajan uticaj na progresiju i invaziju tumora. Heterogeni model tumora na čipu stoga ima značajan uticaj na istraživanje lečenja karcinoma, kako bi se izgradili in vitro modeli mikrookruženja tumora sastavljenih od različitih tipova ćelija koje se kultivišu.
Tim je predstavio mikrookruženje tumora na mikrofluidnom čipu sa hidrogelnim konstrukcijama ćelija raka/nekanceroznih ćelija da bi proizveo hemijski gradijent i bolje razumeo odnos između intratumorske heterogenosti i odgovora tumora na lečenje. Ovi rezultati će otvoriti kapije za razvoj novih lekova za efikasniju personalizovanu medicinu i obezbediti model tumora na čipu koji će olakšati razumevanje ponašanja raka.
