Теперь исследователи из Массачусетского технологического института, Италии и Южной Кореи разработали трехмерную микрожидкостную платформу, которая имитирует распространение клеток рака груди в окружающей среде.Микрочип — чуть больше десятицентовика — содержит несколько каналов, в которых исследователи выращивают эндотелиальные клетки и костные клетки, чтобы имитировать кровеносный сосуд и кость бок о бок. Затем они ввели высокометастатическую линию клеток рака груди в искусственный кровеносный сосуд.Двадцать четыре часа спустя команда заметила, что через стенку сосуда и в костеподобную среду прошло вдвое больше раковых клеток, чем переместилось в простую коллаген-гелевую матрицу.
Более того, клетки, которые прошли через слизистую оболочку сосудов и попали в костеподобную структуру, к пятому дню эксперимента образовали микрокластеры, насчитывающие до 60 раковых клеток.«Вы можете видеть, как быстро они растут», — говорит Джесси Чон, аспирант кафедры машиностроения. «Мы ждали только пятого дня, но, если бы мы продлились дольше, [размер кластеров] был бы огромным».Команда также определила две молекулы, которые, по-видимому, способствуют метастазированию раковых клеток: CXCL5, белковый лиганд, секретируемый костными клетками, и CXCR2, рецепторный белок раковых клеток, который связывается с лигандом.
Предварительные результаты предполагают, что эти молекулы могут быть потенциальными мишенями для уменьшения распространения рака.Чон говорит, что эксперименты демонстрируют, что микрочип может быть использован в будущем для тестирования лекарств, которые могут остановить метастазирование, а также в качестве платформы для изучения распространения рака на другие органы.Она и ее коллеги, в том числе Роджер Камм, заслуженный профессор механической и биологической инженерии Массачусетского технологического института Роджер Камм, изложили результаты своих экспериментов в журнале Biomaterials.«В настоящее время мы не понимаем, почему определенные виды рака преимущественно метастазируют в определенные органы», — говорит Камм. «Примером может служить то, что рак груди будет образовывать метастатические опухоли в кости, но не, например, в мышцах.
Почему это происходит и какие факторы его определяют? Мы можем использовать нашу модельную систему как для понимания этой избирательности, так и для выявления лекарств. это могло бы предотвратить это ".
Через стену и в костьПроцесс, посредством которого раковые клетки образуют вторичные опухоли, требует, чтобы клетки сначала пережили путешествие по кровеносной системе. Эти мигрирующие клетки прикрепляются к внутренней выстилке кровеносного сосуда и в конечном итоге проталкиваются к окружающей ткани — процесс, называемый экстравазацией, который исследовательская группа Камма смоделировала прошлой осенью с помощью новой микрофлюидной платформы.Теперь группа изучает следующий этап метастазирования: стадию, на которой раковая клетка проникает в конкретный орган.
В частности, исследователи разработали микрочип, в котором они могли наблюдать взаимодействия между конкретными раковыми клетками и восприимчивой, подобной органам средой. Сначала они решили работать с остео-дифференцированными клетками, поскольку кость является основной мишенью для метастазирующих клеток рака груди.Группа собрала стволовые клетки костного мозга от пациентов, перенесших операцию на бедре, и позволила клеткам естественным образом дифференцироваться в костные клетки. Они также получили коммерчески доступные эндотелиальные клетки и выровняли один канал в микрочипе эндотелиальными клетками, чтобы имитировать стенку кровеносного сосуда.
Они заполнили другой канал дифференцированными костными клетками, чтобы сформировать костоподобный матрикс, и, наконец, ввели клетки рака груди человека в канал, содержащий эндотелиальные клетки.Чон и ее коллеги сделали снимки метастатического процесса: раковые клетки проталкиваются через стенку сосуда, распространяются в костную среду и группируются глубоко в костном матриксе, образуя крошечные опухоли.
В частности, они обнаружили, что в костную среду распространяется вдвое больше раковых клеток, чем в стандартный коллагеновый матрикс; они также распространяются глубже в костный матрикс, образуя микрокластеры до 60 клеток через пять дней.Чтобы увидеть, какие молекулярные сигналы могут объяснить разницу в скорости метастазирования, команда сосредоточилась на CXCL5 и CXCR2. Хотя известно, что эти два белка участвуют в метастазировании, неясно, способствуют ли они его развитию в конкретных органах.Исследователи инкубировали раковые клетки с антителом, блокирующим CXCR2, и обнаружили, что эти клетки менее способны прорваться через слизистую оболочку кровеносных сосудов.
Они также попытались ввести CXCL5 в матрицу из коллаген-геля без костных клеток и обнаружили, что среда, засеянная лигандом, способствует проникновению клеток рака груди. Результаты показывают, что эти два белка могут быть мишенями для предотвращения или смягчения метастазов рака не только в кости, но и в другие органы.
«Красота этой системы заключается в ее простоте и элегантности», — говорит Мухаммад Заман, доцент кафедры биологической инженерии Бостонского университета, не принимавший участия в исследовании. «Я считаю, что эту микрофлюидную систему будет легко масштабировать для изучения процессов, которые важны, но были слишком сложны для количественной оценки. В целом, я думаю, что это крупный прорыв в понимании сложных процессов, подчеркивает важность механики и определяет новые пути для лечение."Команда планирует изучить метастазы рака в других органах, например в мышцах — органе, в котором раковые клетки не распространяются легко.«Есть некоторые органы, которые известны как более или менее метастатические, и если мы сможем добавить два разных типа органов, мы сможем увидеть, какие существуют различия», — говорит Чон.
Камм добавляет, что в будущем такая платформа может быть использована в персонализированной медицине для определения наилучшего лечения рака для конкретного пациента.«Можно представить себе использование клеток больного раком для создания моделей различных органов, а затем использование этих моделей для определения оптимальной терапии из множества доступных лекарств», — говорит Камм.