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In mehrzelligen Organismen kommunizieren Zellen über parakrine und juxtacrine Signale, indem sie Nachrichten mit ihrer Mikroumgebung austauschen und sich so gegenseitig beeinflussen. Diese Kommunikation kann entweder direkt durch das Tunneln von Nanoröhren und Gap Junctions oder indirekt durch die Sekretion löslicher chemischer Moleküle wie Zytokine, Wachstumsfaktoren und Chemokine in die extrazelluläre Matrix erfolgen. Diese Signalmechanismen spielen eine wesentliche Rolle bei der Regulierung verschiedener physiologischer Prozesse, einschließlich der Gewebeentwicklung und der Immunzellreaktionen, und sind auch an der Pathogenese zahlreicher Krankheiten wie Krebs, HIV, Bluthochdruck und Alzheimer beteiligt1.
In den 1960er Jahren entdeckte Leonard Hayflick, dass normale menschliche Fibroblasten eine begrenzte Fähigkeit haben, sich in vitrozu replizieren 2. Dieser begrenzte Zellproliferationszustand, der sich aufgrund der Telomeraseverkürzung entwickelt, wird als replikative Seneszenz bezeichnet. Nachfolgende Studien zeigten, dass verschiedene Formen von zellulärem Stress auch zelluläre Seneszenz auslösen können. Es wurde festgestellt, dass gängige Krebsbehandlungen wie Chemotherapie und Strahlentherapie sowohl bei Krebs- als auch bei Stromazellen eine zelluläre Seneszenz induzieren, die als therapieinduzierte Seneszenz bezeichnet wird 3,4. Zelluläre Seneszenz und Alterung sind hierarchisch miteinander verbundene Prozesse; Sie repräsentieren unterschiedliche biologische Prozesse. Die Anhäufung von seneszenten Zellen im Organismus trägt zum Altern bei, indem sie Entzündungen, Gewebefunktionsstörungen und die Entwicklung altersbedingter Krankheiten fördert. Das Altern umfasst jedoch im Vergleich zur Seneszenz 5 ein viel breiteres Spektrum an systemischen Ereignissen undMechanismen.
Seneszente Zellen zeichnen sich dadurch aus, dass ihr erweitertes Zytoplasma im Vergleich zu normalen Zellen deutlich größer ist und eine abgeflachte Morphologie aufweist6. Diese seneszenten Zellen haben eine erhöhte lysosomale Aktivität und sind positiv für die Seneszenz-assoziierte β-Galactosidase (SA-β-gal)-Aktivität, ein lysosomales Enzym, das auch bei saurem pH-Wert von 6,0 aktiv bleibt. Die SA-β-Gal-Färbung ist der am weitesten verbreitete Biomarker zum Nachweis seneszenter Zellen7. Vergrößerung und unregelmäßige Morphologie der Zellkerne werden häufig bei Zellen beobachtet, die sich in der Seneszenz befinden. Darüber hinaus zeichnen sich diese Zellen durch einzigartige Chromatin-Rearrangements aus, die als Seneszenz-assoziierte heterochromatische Foci (SAHF) bezeichnet werden und einen irreversiblen Zellzyklusarrest vermitteln 8,9.
Obwohl seneszente Krebszellen letztendlich ihre Fähigkeit zur Vermehrung verloren, blieben sie lebensfähig und metabolisch aktiv. Es ist bekannt, dass seneszente Zellen auch verschiedene Faktoren sezernieren, um ihre extrazelluläre Tumormikroumgebung zu regulieren, die als Seneszenz-assoziierter sekretorischer Phänotyp (SASP) bezeichnet wird10,11. Zu diesen SASP-Faktoren gehören lösliche Signalfaktoren (Interleukine, Chemokine und Wachstumsfaktoren), sezernierte Proteasen und sezernierte unlösliche Proteine/Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM). Zusammengenommen üben diese Faktoren nachteilige parakrine Wirkungen aus, einschließlich der Förderung der Proliferation von Krebszellen, der Migration, der Invasion und der Induktion des Übergangs von Epithel zu Mesenchym (EMT)4,12. Darüber hinaus wurden Chemotherapie-induzierte Nebenwirkungen teilweise auf die Akkumulation seneszenter Zellen zurückgeführt13. Daher ist die Untersuchung der Interaktion zwischen seneszenten und nicht-seneszenten Zellen zu einem wichtigen Forschungsgebiet im Rahmen der Krebstherapie geworden. Insbesondere die Analyse von SASP-Faktoren, insbesondere ihrer Zusammensetzung und der Auswirkungen auf die Krebsmikroumgebung, gilt als vielversprechende Strategie, um neue Zielmoleküle für die Krebstherapie zu identifizieren und neue Medikamente für diese Moleküle zu entdecken.
In-vitro-Co-Kulturtechniken werden seit langem eingesetzt, um das Verständnis von Zell-zu-Zell-Wechselwirkungen zu untersuchen14. In diesem methodischen Artikel ging es darum, die mögliche proliferative Aktivität von Faktoren, die von seneszenten Zellen sezerniert werden, auf nicht-seneszente Krebszellen mit drei verschiedenen Methoden zu evaluieren. Zusätzlich wurden die Ergebnisse der drei verschiedenen Methoden verglichen und die jeweiligen Vor- und Nachteile der Ansätze kritisch bewertet.
Zunächst wurde ein Co-Kulturmodell zwischen seneszenten HeLa- und nicht-seneszenten HeLa-Zellen aufgebaut, um die möglichen Veränderungen der Krebszellproliferation in Echtzeit mit dem Echtzeit-Zellanalysesystem12 zu überwachen. Dieses System besteht aus zwei Platten zur Bewertung von Zell-Zell-Interaktionen. Die E-Plattenansicht, die die untere Schicht bildet, hat eine Oberfläche, auf der die Zielzellen ausgesät werden, wobei Mikroelektroden am unteren Rand der Platte positioniert sind. Der elektrische Widerstand, der durch die Adhäsion der Zielzellen an dieser Oberfläche entsteht, wird durch den messbaren Parameter Cell Index (CI) ausgedrückt. Der CI-Wert ist proportional zur Anzahl der Zellen und zum Grad der Adhäsion an der Oberfläche15. Darüber hinaus ermöglicht die E-Plate-Ansicht die morphologische Untersuchung von Zellen unter einem Phasenkontrastmikroskop. Der E-Platten-Einsatz, der die obere Schicht bildet, ist der Bereich, in dem Effektorzellen ausgesät werden. Der Boden dieser Platte ist mit einer semipermeablen Membran mit einer Porengröße von 0,4 μm bedeckt. Faktoren, die von Effektorzellen sezerniert werden, können die Membran passieren und die Zielzellen in der e-Plattenansicht beeinflussen. Regt dieses Zusammenspiel die Zellproliferation an, wird dies als Erhöhung des CI-Wertes beobachtet. So können Wechselwirkungen zwischen Zellen quantitativ ausgewertet werden.
Bei der zweiten Methode wurden konditionierte Medien, die aus seneszenten HeLa-Zellen entnommen wurden, konzentriert und zu nicht-seneszenten HeLa-Zellen hinzugefügt. Die potentielle proliferative Wirkung auf diese Zellen wurde mit Hilfe des Echtzeit-Zellanalysesystems überwacht.
Bei der dritten Methode war geplant, die seneszenten HeLa-Zellen und die nicht-seneszenten GFP-HeLa-Zellen direkt in 2D zu co-kultivieren und die möglichen proliferativen Veränderungen in Krebszellen in Echtzeit unter dem Mikroskop zu überwachen.
Das Ziel dieses Experiments ist es, drei Modelle aufzubauen, um die Interaktion zwischen seneszenten HeLa-Zellen und nicht-seneszenten HeLa-Zellen zu untersuchen und mögliche Veränderungen in der Proliferation von Krebszellen in Echtzeit zu überwachen. So kann die Wirkung von SASP-Faktoren, die von seneszenten Krebszellen sezerniert werden, auf die anderen Krebszellen leicht untersucht werden. Dementsprechend wurden die Vorteile und Grenzen der drei Ansätze systematisch evaluiert.