関連するヒト疾患を忠実に再現する包括的な インビトロ モデルが欠けている。現在の研究は、ヒト肝細胞癌における腫瘍間質相互作用を研究するための信頼性の高い インビトロ ツールである3次元(3D)腫瘍スフェロイドの作成および培養を提示する。
肝臓癌の主な形態である進行性肝細胞癌(HCC)に対する攻撃性と十分に許容され、広く有効な治療法の欠如は、癌関連死の2番目に一般的な原因としてのランクを合理化する。前臨床モデルは、臨床開発のための最良の治療候補を選択し、個別化された医療の提供を支援するために、人間の状態を再現するために適応する必要があります。3次元(3D)細胞回転楕円体モデルは、2次元(2D)単層培養に代わる新たな インビトロ の代替として約束を示す。ここでは、吊り下げ液滴に維持される場合に個々の細胞が凝集する能力を利用する3D腫瘍スフェロイドモデルについて述べ、標準的な単層よりも インビボ 環境を代表するものである。さらに、3Dスフェロイドは、均質または異質性細胞を組み合わせることによって生成することができ、 生体内の細胞異質性をより反射し、進行および治療応答に影響を与える可能性のある環境相互作用の研究を可能にする可能性がある。現在の研究では、標準的な10 cm3 ペトリ皿の蓋に細胞懸濁液を固定化することによって、細胞密度を最適化して3Dホモタイピックおよび異質腫瘍スフェロイドを形成しました。縦方向解析を行い、均質対異形腫瘍/線維芽細胞スフェロイドの成長曲線を生成した。最後に、線維芽細胞(COS7細胞)および肝臓筋線維芽細胞(LX2)がホモタイプ腫瘍(Hep3B)スフェロイドに及ぼす増殖性の影響について検討した。3,000個の細胞(20μL培地)の播種密度は、Huh7/COS7ヘテロジピックスフェロイドの生成に成功し、培養8日目まで着実にサイズが増加し、続いて成長遅滞が生じた。この知見は、LX2(ヒト肝星細胞株)コンディション培地(CM)で培養したHep3Bホモタイプスフェロイドを用いて裏付けられた。LX2 CMは、対照腫瘍スフェロイドと比較してHep3Bスフェロイドの増殖を引き起こした。結論として、このプロトコルは、3D腫瘍スフェロイドが、腫瘍間質相互作用をより包括的に研究するための単純で経済的でプレスクリーン インビトロ ツールとして使用できることを示している。
肝臓疾患および他のほとんどのタイプの癌の治療の進歩にもかかわらず、肝臓癌による世界的な発生率と死亡率は増加し続けている。2018年、肝臓癌は大腸癌と胃癌を上回り、世界的に癌関連死の2番目に一般的な原因となった。2020年には9,000件以上の新しい診断があり、世界のがん症例全体の4.7%を占めています。これは、肝臓癌の最も一般的な形態であるHCCの発症に対する重大な危険因子が十分に特徴付かされていることを考えると、特に残念です2。肝硬変はHCCの発症に最も一般的な危険因子であり、80%の症例が確立された肝硬変の背景に発症する2。肝硬変に進行し、その結果HCCに進行する慢性肝疾患には、B型肝炎ウイルス(HBV)、C型肝炎ウイルス(HCV)、アルコール関連肝疾患(ARLD)、非アルコール性脂肪性肝疾患(NAFLD)、後者は肥満および2型糖尿病(T2DM)2,3に起因する。HCCの現在の管理プロトコルはステージに依存し、進行癌の患者には限られており、ほとんどの場合、結果が悪い4。キナーゼ阻害剤を使用して大きな進歩があり、最近では免疫腫瘍学の治療は、現実的には、進行した肝臓癌を有する患者の少数派にしか利益をもたらさない5。さらに、NAFLD患者に生じるHCCが、最も急速に成長している根本的な原因である、西側諸国で新たに診断されたHCC症例の50%以上を占める、プログラム死亡1(PD1)チェックポイント阻害剤療法に対してより耐性があるかもしれないという懸念がある6。
HCC患者の臨床試験には、臨床試験とそのエンドポイントの大幅な改善を含む大規模な投資が行われています。10年間の失敗の後、これらの投資は患者の機会を変え始めました。しかし、実際には、回答者の全体的な割合は比較的貧しいままであり、患者はしばしば診療所で世話をしている患者を不十分に表す試験に採用されています。危険なのは、進歩は高価であり、多くの人ではなく少数の人々に利益をもたらすことです。単回使用または組み合わせに対してより多くの候補療法が出現するにつれて、前臨床モデルをin vivo応答のより予測的にすることが不可欠である。これらは、ヒトHCCの不均一性および病理学的複雑性をより良く反映する患者応答に見られる変動性に寄与する追加の要因を組み込んだモデルである可能性が高い8。HCCの生体内病態を再現するシステムは、腫瘍の進化、成長、および進行の生物学を理解するのに役立つ必要がある。慢性肝疾患とHCCの既存の実験モデルは、通常、生体内動物ベースのモデル(レビューin9)、インビトロ培養10、およびex vivo11,12モデルの3つの主要なカテゴリに該当します。動物ベースのアプローチは、広範囲に慢性肝疾患を研究するために使用されます, HCCを含む;しかし、遺伝的変動、高い実行コスト、および種間の異なる免疫系は、このようなmodel9を適用するための主な制限の一つです。一部のex vivoモデルは、他のインビトロ細胞系モデルと比較してヒト組織に焦点を当てるための優れたツールを提供しますが、組織の可用性と限られた実験時間コースは、大規模での使用を妨げます。
一方、インビトロ細胞系モデルは、限られた資源で作業する科学者にとって良い選択肢であり、新鮮なヒト組織10の一定の供給を必要としない。これらのモデルはまた、より複雑なin vivoモデルに進む前に、薬物選択のターゲット検証を支援する最初の画面として使用できるツールを提供します。従来の2D単層培養物を3D培養物に最近改変することで、これらのin vitroモデル13,14の有効性が向上した。
3D in vitroモデルは、ヒトの正常および病理学的状態で見られる重要な特徴を再現することができます。生理学的条件下では、シグナル伝達は細胞クロストークおよび他の結合組織分子との相互作用、すなわち細胞外マトリックス(ECM)タンパク質との相互作用を通じて開始され、3D相互作用ネットワーク15,16を形成する。腫瘍は悪性形転換の間に3次元球形で進化し、酸素および栄養素は非腫瘍/腫瘍間相に容易に豊富である。同時に、低酸素状態は腫瘍コアで優勢である。栄養の可用性のこの不均一性は、腫瘍形成を調節する空間的に明確なシグナル伝達および代謝経路の活性化をもたらす。これらの条件は、従来の2D単層培養14では、細胞が生理学的に無関係な方法で硬い培養プラスチック上で成長する14の不十分な再現である。癌細胞はまた、他の非縮脈細胞、ECMの主要な供給源、増殖、および腫瘍微小環境内の浸潤シグナル伝達と通信する。2D培養とは異なり、3D in vitroモデルは、この腫瘍間質相互作用を研究するためのより適切なプラットフォームを提供することができます17。
HCC分野では3Dモデルが広く用いられており、微細組織の形成方法が異なります18,19,20,21,22,23。これらのモデルのほとんどは、スフェロイド形成の過程で超低結合プレート18、19、20、21、22またはトランスウェル23のいずれかを使用しました。記載されたプロトコルは、代替として吊り下げ液滴技術を導入し、プラスチックフリーで、かつ、インビトロ3D腫瘍スフェロイドモデルで費用対効果が高い。これは、3D形式での腫瘍細胞の増殖に対する線維芽細胞のパラクリンおよびオートクリンの役割の評価を容易にし得る。
実験細胞株が成長するコンテキストは、その遺伝子発現プロファイル、経路解析、および機能基準に影響を与えます。例えば、乳癌細胞では、がん細胞が3Dコンフォメーション27で増殖した場合にのみ、異なる発癌経路間の協調が保持される。3D黒色腫および乳癌スフェロイドにおける調節緩和された遺伝子は、単層細胞には含まれていないが、生体内ヒト腫瘍28,29に関連する。例えば、乳腺上皮細胞および腫瘍の対応するβ1インテグリンレベルは、2Dフォーマット29で増殖したレベルよりも低かった。さらに、3D構造の線維芽細胞は、plastic30で培養されたものと比較して、形態および速度の点で明確に移行する傾向がある。さらに、成長基質の機械的剛性は、上皮細胞31における細胞外シグナル調節キナーゼ(ERK)/Rhoの調節緩和を介して正常上皮細胞の悪性形質転換を促進する特定の経路を活性化する。これらの要因は、3D培養がヒト疾患に合致するため、従来の2D培養から3Dスフェロイドモデルへの移行を優先する。
現在の研究では、従来の実験室用ツールと供給を使用して、3D腫瘍回転楕円体モデルを作成しました。形成されたスフェロイドは、線維芽細胞から来る増殖信号に反応した。このモデルは多細胞腫瘍スフェロイドカテゴリーに属する。3D腫瘍スフェロイドには、腫瘍球32、組織由来腫瘍球体33、34、およびorganotypic多細胞スフェロイド35を含む3つのカテゴリーがあります。多細胞腫瘍スフェロイドにおいて、腫瘍細胞は、培養容器36の底部に触れることなく、それらを凝集させて球体を形成できるように、低接着条件で懸濁される。回転システム、液体オーバーレイ技術、およびコーティングされていない超低い取り付けU字型プレート37に至るまで、このアンカレッジ非依存技術を提供するためにいくつかのアプローチが採用されています。HCCでは、 インビトロ スフェロイド培養物の大部分は、超低結合24-または96ウェルプレートを使用して、丸みを帯びたスフェロイド18、19、20、21、22を形成する。しかし、この技術は費用対効果が高くなく、偶発的なセルプラスチック接触を排除するものではありません。他のシステムは、肝臓の微小組織を生成するためにトランスウェル23 または肝臓スライス12 を使用します。翻訳作業で人間の組織を使用することはゴールドスタンダードですが、多くの研究グループが常に利用できるわけではありません。現在のアプローチは、ぶら下がった液滴理論の恩恵を受けた。細胞懸濁液は、腫瘍回転楕円体が単一の丸い球体38を形成するためにアクセス可能な液体空気界面で形成されるように加えられる。この技術を使用する利点は、細胞とプラスチックの接触の欠如と腫瘍と線維芽細胞の間のオートクリンとパラクリンクロストークの研究の容易さである。このモデルは、HCC開発39から肝臓を保護する上で非層状TREM2の重要性を解読する別の研究でさらに検証された。この研究は、Hep3BおよびPLC/PRF5スフェロイドの両方の体積が、制御LX2 CMとTREM2過剰発現LX2 CMのWnt依存的な方法で高いことを示した39。
今回の研究では、線維芽細胞をスフェロイド形成前に腫瘍細胞と混合し、この共培養の増殖影響を調べた。他の人は、腫瘍40,41への間質細胞の移行を研究するために腫瘍スフェロイドを形成した後、線維芽細胞、内皮細胞、および腫瘍細胞懸濁液を有する免疫細胞を添加した。現在のヘテロジピックスフェロイドモデルは、以前に報告されたモデルと元のin vivo腫瘍と同様の成長パターンを示した。スフェロイドは、栄養分の枯渇と壊死的なコア42の拡大のために、成長期の遅れが続く指数関数的成長を示す。この研究は、スフェロイド形成を助けるために成長因子およびマイトゲンを追加する代わりに、線維芽細胞CMにおける線維芽細胞またはその分泌物との直接接触からこれらの成長因子を有することによって、より生理学的なアプローチを用いた。LX2細胞は、TGFβ1またはPDGF43で処理することによってさらに活性化することができることを言及することが不可欠である。LX2細胞は、異なる実験設定のために培地を除去する前に、48時間10ng/mL TGFβ1で処理されています。LX2細胞をPBSで3回洗浄し(直接TGFβ1効果を除く)、CMを採取する前にさらに24時間新鮮な培地を添加した。TGFβ1刺激LX2から収集されたCMは、コントロールLX2からCMよりも高い速度でHep3Bスフェロイドの成長を誘導した(データは示していない)。この柔軟なシステムは、異なる癌細胞の共培養に適しています プラス/マイナス線維芽細胞, だけでなく、患者由来のライン.また、インビボ研究の投薬を知らせるために、翻訳創薬パイプラインに迅速に採用され、挿入できる薬物に対する中スループットスクリーニングアッセイを提供することもできます。
現在の研究の限界は、新たに単離されたHCC腫瘍細胞および癌関連線維芽細胞ではなく、スフェロイド形成における不死化細胞株の使用である。もう一つの制限は、LX2からのCMと他の非線維芽細胞株からのCMではなく新鮮な培地におけるCMの間でホモタイプHep3Bスフェロイドの成長を比較することです。後者の制限は、線維芽細胞の関心のある遺伝子の遺伝子組み換えによって対処することができ、続いてCMを野生型から遺伝子組み換え線維芽細胞に適用してホモタイピックスフェロイドに適用する。
The authors have nothing to disclose.
MYWZは、英国の公式開発援助「ODA」とニュートン基金の一環として、ビジネス、エネルギー、産業戦略担当国務長官とニュートン賞2020によって資金提供されています。SSは、がん研究英国先端臨床科学者フェローシップC53575 / A29959によってサポートされています。SS、FO、HRは、がん研究英国、フォンダツィオーネAIRC、フンダシオン・シエンティフィカ・デ・ラ・アソシアシオン・エスパニョーラ・コントラ・エル・ガンズとのパートナーシップを通じて資金提供を受け、HUNTERの一環として資金を受け取っています。
1x Trypsin | Sigma Aldrich | 59429C | |
2 mL tubes | Eppendorf | ||
Biorender | Biorender.com | Online | |
Class II laminar flow BioMAT2 hood | Medair Technologies | ||
Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) | Biosera | M-D1107 | |
Excel sofware | Microsoft office 365 | ||
Graphpad prism sofware | GraphPad software | ||
Heat deactivated fetal bovine serum (FBS) | life tech | 105000064 | |
Image J software | Fiji | ||
L-glutamine | Sigma Aldrich | G7513-100ml | |
Penicillin/streptomycin (100 unit/ml penicillin and 100 μg/ml streptomycin) | Sigma Aldrich | P0781-100ml | |
Petri dish 90 mm, triple vented | Greiner | 633175 | |
Trypan blue | Sigma Aldrich | T8154 | |
Virkon™ Broad Spectrum Disinfectant, 5kg Bucket | Rely+On™ | SCI-129999 | |
Ziess inverted microscope | Ziess |