İlgili insan hastalığını sadakatle nükseden kapsamlı in vitro modeller eksiktir. Mevcut çalışma, insan hepatosellüler karsinomunda tümör-stromal etkileşimi incelemek için güvenilir bir in vitro araç olan üç boyutlu (3D) tümör sferoid oluşturma ve kültürü ssunuyor.
Karaciğer kanserinin baskın formu olan ileri hepatosellüler karsinom (HCC) için iyi tolere edilen ve yaygın olarak etkili tedavilerin agresifliği ve eksikliği, kansere bağlı ölümlerin ikinci en yaygın nedeni olarak derecesini rasyonelleştirir. Klinik gelişim için en iyi terapötik adayları seçmek ve kişiselleştirilmiş tıbbın teslimine yardımcı olmak için insan koşullarını yeniden sağlamak için preklinik modellerin uyarlanmış olması gerekir. Üç boyutlu (3D) hücresel küresel modeller, iki boyutlu (2D) monolayer kültürlere yeni bir in vitro alternatif olarak umut vaat ediyor. Burada, tek tek hücrelerin asılı damlacıklarda muhafaza edildiğinde agrega yeteneğini sömüren ve standart monolayerlerden daha fazla in vivo ortamı temsil eden bir 3D tümör küresel modelini tanımlıyoruz. Ayrıca, 3D sferoidler homotipik veya heterotipik hücrelerin birleştirilmesiyle üretilebilir, hücresel heterojenliğin daha fazla yansıtıcısı vivo, potansiyel olarak ilerlemeyi ve tedavi yanıtlarını etkileyebilecek çevresel etkileşimlerin incelenmesini sağlar. Mevcut araştırma, standart 10 cm3 Petri tabaklarının kapaklarındaki hücre süspansiyonlarını hareketsiz hale getirerek hücre yoğunluğunu 3D homotipik ve heterotipik tümör sferoidleri oluşturacak şekilde optimize etti. Homotipik ve heterotipik tümör/fibroblast sferoidler için büyüme eğrileri oluşturmak için boyuna analiz yapıldı. Son olarak fibroblastların (COS7 hücreleri) ve karaciğer miyofibroblastlarının (LX2) homotipik tümör (Hep3B) sferoidler üzerindeki proliferatif etkisi araştırıldı. 3.000 hücrelik bir tohumlama yoğunluğu (20 μL ortamda) başarılı bir şekilde Huh7 /COS7 heterotipik sferoidleri verdi ve bu da 8. Bu bulgu LX2 (insan hepatik yıldız hücre hattı) şartlandırılmış ortamda (CM) kültürlenen Hep3B homotipik sferoidler kullanılarak doğrulandı. LX2 CM, tümör sferoidlerini kontrol etmekle karşılaştırıldığında Hep3B sferoidlerinin çoğalmasını tetikledi. Sonuç olarak, bu protokol 3D tümör sferoidlerinin tümör-stromal etkileşimleri daha kapsamlı bir şekilde incelemek için basit, ekonomik ve ön ekran bir in vitro araç olarak kullanılabileceğini göstermiştir.
Karaciğer hastalığı ve diğer kanser türlerinin tedavilerindeki gelişmelere rağmen, karaciğer kanserinden kaynaklanan küresel insidans ve mortalite artmaya devam etti. 2018 yılında karaciğer kanseri kolorektal ve mide kanserini geçerek küresel olarak kansere bağlı ölümlerin en yaygın ikinci nedeni oldu1. 2020 yılında, dünya çapında toplam kanser vakalarının% 4,7’sini oluşturan 9.00.000’den fazla yeni tanı vardı1. Karaciğer kanserinin en yaygın şekli olan HCC’nin gelişimi için önemli risk faktörlerinin iyi karakterize olduğu göz önüne alındığında, bu özellikle hayal kırıklığı yaratmaktadır2. Siroz, HCC gelişimi için en yaygın risk faktörüdür ve vakaların% 80’i yerleşik sirozun arka planında gelişir2. Siroza ve dolayısıyla HCC’ye ilerleyen kronik karaciğer hastalıkları hepatit B virüsü (HBV), Hepatit C virüsü (HCV), alkole bağlı karaciğer hastalığı (ARLD), alkolsüz yağlı karaciğer hastalıkları (NAFLD) – ikincisi obezite ve tip 2 diabetes mellitus (T2DM)2,3’e atfedilir. HCC için mevcut yönetim protokolleri evreye bağlıdır ve en sık kötü bir sonuca sahip olan ileri kanserli olanlar için sınırlıdır4. Kinaz inhibitörleri kullanılarak önemli gelişmeler olmuştur ve daha yakın zamanda, bağışıklık-onkoloji tedavileri, gerçekçi olmak gerekirse, ileri karaciğer kanserleri olan hastaların sadece bir azınlığı yararınadır5. Ayrıca, batı ülkelerinde yeni teşhis edilen HCC vakalarının% 50’sinden fazlasını oluşturan en hızlı büyüyen temel neden olan NAFLD’li hastalarda ortaya çıkan HHC’lerin Programlanmış ölüm 1 (PD1) kontrol noktası inhibitörü tedavisine daha dirençli olabileceğinden endişe edilmektedir6.
HCC’li hastalar için klinik çalışmalara büyük bir yatırım yapıldı, klinik çalışmalarda ve uç noktalarında önemli gelişmeler de dahil olmak üzere7. On yıllık başarısızlıklardan sonra, bu yatırımlar hastalar için fırsatları değiştirmeye başladı. Bununla birlikte, gerçek şu ki, yanıt verenlerin genel oranı nispeten zayıf kalır ve denemelere alınan hastalar genellikle kliniklerde bakılanları kötü temsil eder. Tehlike, ilerlemelerin maliyetli olması ve çoktan çok az sınaya fayda sağlamasıdır. Tek kullanımlık veya kombinasyon için daha fazla aday tedavi ortaya çıktıkça, in vivo yanıtları daha tahmin eden preklinik modellere sahip olmak önemlidir. Bunlar, insan HCC heterojenliğini ve patolojik karmaşıklığı daha iyi yansıtan hasta yanıtlarında görülen değişkenliğe katkıda bulunan ek faktörleri içeren modeller olması muhtemeldir8. Tümör evrimi, büyümesi ve ilerlemesinin biyolojisini anlamaya yardımcı olmak için HCC’nin in vivo patofizyolojik koşullarını yeniden yaratan sistemlere ihtiyaç vardır. Kronik karaciğer hastalıklarının ve HCC’nin mevcut deneysel modelleri genellikle üç ana kategoriye ayrılır: in vivo hayvan bazlı modeller (gözden geçirilmiş in9), in vitro kültürler10 ve ex vivo11,12 modelleri. Hayvan temelli yaklaşımlar, HCC de dahil olmak üzere kronik karaciğer hastalıklarını incelemek için yaygın olarak kullanılmaktadır; bununla birlikte, genetik değişkenlik, yüksek işletme maliyetleri ve türler arasındaki farklı bağışıklık sistemleri bu modellerin uygulanmasındaki ana sınırlamalar arasındadır9. Bazı ex vivo modelleri, diğer in vitro hücre hattı modellerine kıyasla insan dokularına odaklanmak için mükemmel bir araç sağlarken, doku mevcudiyeti ve sınırlı deneysel zaman seyri büyük ölçekte kullanımlarını engeller.
Öte yandan, in vitro hücre hattı modelleri sınırlı kaynaklarla çalışan bilim adamları için iyi bir seçenek olmaya devam ediyor, daha az taze insan dokusu kaynağına ihtiyaç duyuyor10. Bu modeller ayrıca daha karmaşık in vivo modellere geçmeden önce ilaç seçiminin hedef doğrulamasına yardımcı olmak için ilk ekran olarak kullanılabilecek bir araç sağlar. Geleneksel 2D monolayer kültürlerinin 3D kültürler halinde son zamanlarda değiştirilmesi, bu in vitro modellerin etkinliğini artırmıştır13,14.
3D in vitro modeller, insan normal ve patolojik koşullarında görülen kritik özellikleri yeniden yakalayabilir. Fizyolojik koşullar altında, sinyal transdüksiyonu hücresel çapraz konuşma ve diğer bağ dokusu molekülleri ile etkileşim yoluyla başlatılır, yani hücre dışı matris (ECM) proteinleri, 3D etkileşim ağı oluşturur15,16. Tümör, kötü huylu dönüşüm sırasında 3D küresel bir formda gelişir ve bunun için tümör dışı / tümör ara fazında oksijen ve besin maddeleri kolayca bol miktarda bulunur. Aynı zamanda, hipoksik durumlar tümör çekirdeğinde baskındır. Besin mevcudiyetinde bu heterojenlik, tümörogenez düzenleyen mekansal olarak farklı sinyalizasyon ve metabolik yolların aktivasyonu ile sonuçlanır. Bu koşullar, hücrelerin fizyolojik olarak alakasız bir şekilde sert kültür plastiği üzerinde büyüdüğü geleneksel 2D monolayer kültürlerinde14’te zayıf bir şekilde yeniden kapsüllenir. Kanser hücreleri ayrıca tümör mikroçevrim içindeki birincil EKM, büyüme ve istila sinyali kaynağı olan diğer parenkimal olmayan hücrelerle de iletişim kurar. 2D kültürlerin aksine, 3D in vitro modeller bu tümör-stromal etkileşimi incelemek için daha uygun bir platform sağlayabilir17.
3D modeller HCC alanında yaygın olarak kullanılmaktadır ve mikro dokunun oluşma şekline göre değişir18,19,20,21,22,23. Bu modellerin çoğu, küresel oluşum sürecinde ultra düşük bağlayıcı plakalar18,19,20,21,22 veya trans-wells23’ü kullandı. Açıklanan protokol, asılı damlacık tekniğini alternatif, plastik içermeyen ve uygun maliyetli in vitro 3D tümör sferoid modeli olarak tanıtmaktadır. Bu, fibroblastların tümör hücrelerinin çoğalması üzerindeki parakrin ve otokrin rollerini 3D formatta değerlendirmeyi kolaylaştırabilir.
Deneysel hücre çizgilerinin büyüdüğü bağlam gen ekspresyon profillerini, yol analizlerini ve fonksiyonel kriterlerini etkiler. Örneğin, meme kanseri hücrelerinde, farklı onkojenik yollar arasındaki koordinasyon sadece kanser hücreleri 3D konformasyonda yetiştirilirse korunur27. 3D melanom ve meme kanseri sferoidlerinde deregüle edilmiş genler, ancak monolayer hücrelerde değil, in vivo insan tümörü ile daha alakalıdır28,29. Örneğin, meme epitel hücrelerinde ve tümör meslektaşlarında β1 integrin düzeyleri 2D formatta yetişen seviyelerden daha düşüktü29. Ayrıca, 3D yapılardaki fibroblastlar, plastik üzerinde kültürlenenlere kıyasla morfoloji ve hız açısından belirgin bir şekilde göç etme eğilimindedir30. Ek olarak, büyüme substratının mekanik sertliği, epitel hücrelerinde hücre dışı sinyalle düzenlenmiş kinazın (ERK)/Rho’nun deregülasyonu yoluyla normal epitel hücrelerinin kötü huylu dönüşümini teşvik eden spesifik yolları aktive eder31. Bu faktörler, 3D kültürler insan hastalığına daha uygun olduğu için geleneksel 2D kültüründen 3D küresel modellere geçişi tercih eder.
Mevcut çalışmada 3D tümör sferoid modeli üretmek için geleneksel laboratuvar araçları ve malzemeleri kullanılmıştır. Oluşan küreseller, fibroblastlardan gelen çoğalma sinyallerine, önemli ölçüde artan büyümelerinin gösterdiği gibi yanıt verdi. Bu model çok hücreli tümör sferoidler kategorisine aittir. Tümörosferler32, dokudan türetilmiş tümör küreleri33,34 ve organotipik çok hücreli sferoidler35 dahil olmak üzere üç farklı 3D tümör sferoid kategorisi daha vardır. Çok hücreli tümör sferoidlerinde tümör hücreleri, kültür damarının dibine dokunmadan küre oluşturmak için bir araya gelebilmeleri için düşük yapışkanlı koşullarda askıya alınır36. Bu ankrajdan bağımsız tekniği sunmak için döner sistemlerden, sıvı kaplama tekniklerine ve kaplamasız ultra düşük ataşmanlı U şeklindeki plakalara kadar çeşitli yaklaşımlar 37 uzadı. HCC’de, in vitro sferoid kültürlerinin çoğu yuvarlatılmış küreseller oluşturmak için ultra düşük ataşman 24 veya 96 kuyu plakalarını kullanır18,19,20,21,22. Ancak bu teknik uygun maliyetli değildir ve herhangi bir yanlışlıkla hücre-plastik temasını dışlamaz. Diğer sistemler karaciğer mikro dokuları üretmek için trans-wells23 veya karaciğer dilimleri12 kullanır. Çeviri çalışmalarında insan dokularını kullanmak altın standarttır, ancak birçok araştırma grubu tarafından her zaman mevcut veya erişilebilir değildir. Mevcut yaklaşım asılı damlacıklar teorisinden yararlandı. Hücre süspansiyonu eklenir, böylece tümör sferoidleri erişilebilir bir sıvı-hava arayüzünde oluşturularak tek yuvarlatılmış küreler oluşturur38. Bu tekniği kullanmanın avantajları, herhangi bir hücre-plastik temasının olmaması ve tümör ve fibroblast hücreleri arasındaki otokrin ve parakrin çapraz sapı inceleme kolaylığıdır. Bu model, karaciğeri HCC gelişiminden korumada parenkimal olmayan TREM2’nin önemini deşifre eden başka bir çalışmada daha da doğrulandı39. Bu çalışma, hem Hep3B hem de PLC/PRF5 sferoidlerinin hacminin kontrol LX2 CM ile TREM2-overexpressing LX2 CM’nin Wnt’ye bağımlı bir şekilde daha yüksek olduğunu göstermiştir39.
Mevcut çalışmada fibroblastlar, bu ortak kültürün proliferatif etkisini araştırmak için küresel oluşumdan önce tümör hücreleri ile karıştırıldı. Diğerleri, tümöre stromal hücre göçini incelemek için bir tümör küreseli oluşturduktan sonra tümör hücre süspansiyonu ile fibroblastlar, endotel hücreleri ve bağışıklık hücreleri ekledi40,41. Mevcut heterotipik sferoid modeli, daha önce bildirilen modellere ve orijinal in vivo tümöre benzer bir büyüme modeli gösterdi; küresel büyüme ve ardından gecikmiş bir büyüme evresi gösterir, büyük olasılıkla besinlerin tükenmesi ve nekrotik çekirdeğin genişlemesi nedeniyle42. Bu çalışma, küresel oluşuma yardımcı olmak için büyüme faktörleri ve mitojenler eklemek yerine, fibroblastlarla doğrudan temastan veya fibroblast CM’deki salgılarından bu büyüme faktörlerine sahip olarak daha fizyolojik bir yaklaşım kullanmıştır. LX2 hücrelerinin TGFβ1 veya PDGF43 ile tedavi edilerek daha fazla aktive edilebileceğinden bahsetmek önemlidir. LX2 hücreleri, farklı deneysel ayarlar için ortamı çıkarmadan önce 48 saat boyunca 10 ng/mL TGFβ1 ile tedavi edilmiştir. LX2 hücreleri PBS ile üç kez yıkandı (herhangi bir doğrudan TGFβ1 etkisini dışlamak için) ve daha sonra CM’yi toplamadan önce 24 saat daha taze ortam eklendi. TGFβ1 uyarılmış LX2’den toplanan CM, Hep3B küresellerinin büyümesini LX2 kontrolünden CM’den daha yüksek bir oranda indüklemektedir (veriler gösterilmemektedir). Bu esnek sistem, farklı kanser hücrelerinin ortak kültürlerine artı/eksi fibroblastların yanı sıra hasta kaynaklı çizgilere de kendini ödünç verebilir. Ayrıca, in vivo çalışmalar için dozlamayı bilgilendirmek için hızlı bir şekilde benimsenebilecek ve çevirisel bir ilaç keşif boru hattına eklenebilen ilaçlar için orta verimli bir tarama tahlilini sunabilir.
Mevcut çalışmanın bir sınırlaması, ölümsüzleştirilmiş hücre çizgilerinin yeni izole edilmiş HCC tümör hücreleri ve kanserle ilişkili fibroblastlar yerine küresel oluşumda kullanılmasıdır. Diğer bir sınırlama, homotipik Hep3B sferoidinin LX2’den CM ile diğer fibroblast olmayan hücre çizgilerinden CM yerine taze medyada büyümesini karşılaştırmaktır. İkinci sınırlama, fibroblastlara ilgi çekici bir genin genetik olarak değiştirilmesi ve ardından CM’nin vahşi tipten genetik olarak tasarlanmış fibroblastlara homotipik sferoidlere uygulanması ile ele alınabilir.
The authors have nothing to disclose.
MYWZ, İngiltere’nin Resmi Kalkınma Yardımı “ODA” ve Newton fonunun bir parçası olarak İş, Enerji ve Sanayi Stratejisinden Sorumlu Devlet Bakanı ve Newton Ödülü 2020 tarafından finanse edilir. SS, Cancer Research UK Advanced Clinician Scientist fellowship C53575/A29959 tarafından desteklenmektedir. SS, FO ve HR, Cancer Research UK, Fondazione AIRC ve Fundacion Cientifica de la Asociacion Espanola Contra el Cancer ortaklığıyla finanse edilen HUNTER’ın bir parçası olarak fon almaktadır.
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 |