Мультиклеточные опухолевые сфероиды, микроопухоли в миниатюре, ученые выращивают как для фундаментальных исследований, так и для тестирования противораковых лекарств. Биофизики МФТИ сравнили свойства сфероидов, полученных разными методами, и выяснили, какие из них являются более релевантными моделями. Работа опубликована в International Journal of Molecular Sciences (IF 6.208).
Сяоли Ци, аспирант Физтех-школы биологической и медицинской физики, первый автор исследования. Фотограф: Анастасия Максименко
Многоклеточные 3D-модели опухолей становятся популярным инструментом для тестирования новых лекарственных препаратов и персонализированной противоопухолевой терапии. Кроме того, их используют и для фундаментальных исследований: изучают сигнальные каскады в раковых клетках, процессы метаболической адаптации опухолевых клеток, а также «молекулярный диалог» между раковыми клетками с другими типами клеток, например с иммунными.
Среди различных многоклеточных in vitro моделей опухолей сфероиды являются наиболее простыми и одними из наиболее широко используемых 3D-культур клеток. Они представляют собой тканеподобные многоклеточные агрегаты шаровидной формы, состоящие из делящихся и неделящихся клеток. Сфероиды более точно воспроизводят микроокружение опухоли, чем обычные монослойные (2D) культуры клеток. Их можно вырастить без каркаса и на основе каркаса.
Обычно сфероиды выращивают в объеме, где клетки не могут прикрепится к поверхности. В лаборатории специальных клеточных технологий МФТИ разработали новый метод выращивания сфероидов на биополимерных каркасах в виде 3D-сети, состоящей из белков-компонентов внеклеточного матрикса. Это межклеточное вещество находится непосредственно в тканях, с которыми клетки взаимодействуют.
Биофизики МФТИ решили посмотреть, в какой мере свойства сфероидов зависят от способа их получения. Для этого исследователи взяли клеточную линию немелкоклеточного рака легкого и вырастили из нее сфероиды разными методами. Затем ученые провели прямое сравнение чувствительности к лекарственным средствам и профиля молекулярной экспрессии в сфероидах разных типов, а также в монослойной клеточной культуре. Сфероиды, выращенные на каркасе, оказались заметно более резистентны к лекарствам.
Михаил Дурыманов, заместитель заведующего лабораторией специальных клеточных технологий МФТИ, рассказывает: «Мы обнаружили, что сфероиды, выращенные на биополимерных каркасах, более устойчивы к лекарствам. Разница оказалась существенной. Мы исследовали причины такой живучести и выяснили, что сфероиды, полученные с помощью биополимерных каркасов, характеризуются более высокой плотностью и содержанием внеклеточного матрикса».
Связано это с тем, что внеклеточный матрикс представляет собой существенный барьер для диффузии лекарств в опухоли и сфероидах. Кроме того, раковые клетки взаимодействуют с компонентами внеклеточного матрикса с помощью специальных интегриновых рецепторов. Когда эти рецепторы связываются с белками внеклеточного матрикса, они проводят в клетку сигнал, увеличивающий ее жизнеспособность. Чем больше клетка формирует контактов с матриксом, тем сложнее ее убить. Это тоже является одной из причин более высокой устойчивости к лекарствам. Опухоли немелкоклеточного рака легкого, как правило, производят большое количество внутриклеточного матрикса. Соответственно, сфероиды, выращенные на полимерных каркасах, оказываются более достоверной моделью подобных опухолей.
Формирование раковых сфероидов на биополимерных каркасах, профили их лекарственной устойчивости к цисплатину и изображения их срезов в сравнении со сфероидами, полученными без использования биополимерных каркасов. Источник: International Journal of Molecular Sciences
Кроме того, в сфероидах на каркасах наблюдался более высокий уровень гипоксии, что является важной характеристикой опухолей. Низкое содержание кислорода запускает сигнальные каскады, которые приводят к увеличению экспрессии белков, повышающих лекарственную устойчивость. Также гипоксия ведет к увеличению секреции раковыми клетками цитокина интерлейкина 6, который, взаимодействуя с рецепторами на поверхности клеток, увеличивает их жизнеспособность в стрессовых условиях.
Таким образом, сфероиды, выращенные на биополимерных каркасах, оказались более релевантной моделью легочных опухолей.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
