Команда исследователей из Университета Тафтса разработала 3D-модели культуры тканей человека при раке мозга у детей и у взрослых в микроокружающей среде, имитирующей мозг. Это значительный прогресс в изучении биологии опухоли головного мозга и фармакологического ответа. Исследование было опубликовано в Nature Communications.
Исследователи создали модели, которые включают внеклеточный матрикс (ECM), происходящий из мозга. Это сложная сеть белков и аминокислот со связанными сахарами, естественным образом обнаруживаемыми в мозге. ECM не только обеспечивает поддержку окружающей нервной ткани, но также помогает направлять рост и развитие клеток. Изменения в составе ECM связаны с прогрессированием опухолей головного мозга, что, в свою очередь, изменяет паттерны генетической и белковой экспрессии в опухолевых клетках.
В более ранних исследованиях отмечалось это важное двустороннее взаимодействие между опухолевыми клетками и окружающим ЕСМ, а также наблюдалось, что белковая композиция в ЕСМ может либо предотвращать, либо допускать дальнейшую диффузию опухолевых клеток в мозг. Чтобы лучше понять динамические взаимодействия между опухолями и ECM, авторы исследования разработали 3D-систему в пробирке, в которой они могут исследовать различные компоненты ECM и определять их вклад в развитие опухоли, а также реакцию опухоли на лекарственные препараты.
Исследование было сосредоточено на двух распространенных типах опухолей головного мозга с особенно мрачным прогнозом — эпендимомы, которая встречается у маленьких детей, и глиобластомы у взрослых, приводящей к медианной выживаемости в 1-2 года после постановки диагноза. Важным достижением является то, что в этом исследовании трехмерная матрица, содержащая ЕСМ, позволила размножать и изучать первичные опухолевые клетки, взятые непосредственно у пациента, и выращивать их в среде, более сходной с мозгом. Предыдущие исследования изучали установленные опухолевые клеточные линии — не обязательно интересующую опухоль — на трехмерных скаффолдах или сфероидах без ECM, или распространяли клетки в двух измерениях (высевание), вызывая поведение клеток, не видимое в их естественной среде.
.
Сила этой платформы в том, что мы можем настроить состав ECM, чтобы выяснить роль каждого компонента в росте опухоли, и увидеть влияние на опухолевые клетки, полученные непосредственно от пациента. Другая важная особенность заключается в том, что мы можем отслеживать трехмерный рост клеток с помощью неинвазивной двухфотонной возбужденной флуоресцентной метаболической визуализации. Другими словами, мы можем использовать неинвазивную визуализацию для оценки жизнеспособности — они растут или подвержены стрессу и умирают в режиме реального времени.
Дэвид Каплан, профессор, заведующий кафедрой биомедицинской инженерии в Школе инженеров имени Тафтса
Среди результатов, обнаруженных в исследовании, было то, что ECM плода, который содержит более высокие уровни коллагена, HA и некоторых CSPG, лучше поддерживал рост опухоли, чем взрослый ECM в 3D-культурах (ECM плода и взрослого были получены из мозга свиньи). Этот результат коррелирует с представлением о том, что рак мозга имеет тенденцию изменять ECM, поэтому его состав становится более похожим для поддержания их роста, согласно исследованию.
Другим ключевым открытием было появление липидных (жировых) капель, высвобождаемых взрослыми клетками глиобластомы, что может способствовать снижению лекарственной чувствительности многих клеток глиобластомы (возможно, путем поглощения лекарств). Это может быть связано с плохой выживаемостью как в трехмерной модели ткани, так и у пациентов. Капли не наблюдались в пробирке до начала этих экспериментов, что позволяет предположить, что эта модель является надежной системой для изучения поведения опухолей головного мозга в лаборатории.