En este estudio, desarrollamos un sistema de cultivo celular para generar esferoides 3D heteromulticelulares formados por células epiteliales y estromales con morfología similar a la de un organoide. Los esferoides se establecieron mediante la siembra de 2.000 células epiteliales en condiciones de monocultivo. En condiciones de cocultivo de dos tipos de células, se establecieron esferoides mediante la siembra de 1.000 células epiteliales y 1.000 células estromales. En condiciones de cocultivo de tres tipos de células, se establecieron esferoides mediante la siembra de 1.000 células epiteliales y dos tipos diferentes de células estromales de 500 células de cada tipo de célula. Antes del establecimiento de los esferoides, las células se pueden teñir con tintes rastreadores de células fluorescentes que permiten monitorear la organización espacial celular. Después de 24 h de la formación inicial del esferoide, las aplicaciones posteriores incluyen perturbaciones farmacológicas, imágenes y recolección de muestras. Las imágenes de lapso de tiempo son útiles para evaluar los cambios en el comportamiento y la morfología de los esferoides, incluido el área y la circularidad (Figura 1A). A las 24 horas después del recubrimiento, los esferoides se pueden incrustar en un entorno de andamio, y las imágenes de lapso de tiempo se pueden usar para evaluar el inicio de estructuras invasivas del esferoide (Figura 1B). La recolección de muestras de esferoides heteromulticelulares tiene muchas aplicaciones, incluida la elaboración de perfiles genómicos y proteómicos a nivel global y unicelular a través de técnicas experimentales como la secuenciación de ARN, la secuenciación de ARN de una sola célula, la secuenciación proteómica y la inmunofluorescencia cíclica.

Figura 1: Representación esquemática del proceso de cultivo celular en 3D y posibles aplicaciones. (A) La suspensión celular de células epiteliales con células estromales no epiteliales se pipetea en placas de unión ultrabajas 3D para formar esferoides. Las imágenes de los esferoides se obtienen mediante microscopía de campo claro cada 24 h durante 96 h. Las líneas celulares se pueden teñir con tintes fluorescentes rastreadores de células para la microscopía de campo amplio posterior antes de inducir la formación de esferoides, o se pueden perturbar farmacológicamente después de la formación de esferoides. Se pueden analizar parámetros esferoides como la morfología, el área, la circularidad y la organización. (B) Los esferoides de células epiteliales y epiteliales con células estromales se forman utilizando el protocolo de A. Los esferoides se establecieron mediante la siembra de 2.000 células epiteliales en condiciones de monocultivo. En condiciones de cocultivo de dos tipos de células, se establecieron esferoides mediante la siembra de 1.000 células epiteliales y 1.000 células estromales. En condiciones de cocultivo de tres tipos de células, se establecieron esferoides mediante la siembra de 1.000 células epiteliales y dos tipos diferentes de células estromales de 500 células de cada tipo de célula. Después de 24 h, se superpone una solución de extracto de membrana basal similar a un andamio y se capturan imágenes en microscopía de campo claro cada 24 h durante 120 h. (C) Los cultivos 3D heteromulticelulares establecidos sin andamio y basados en andamios se pueden usar para una variedad de aplicaciones posteriores, como la inmunofluorescencia cíclica, la secuenciación de ARN de una sola célula y la proteómica de una sola célula. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los esferoides de monocultivo MCF10A, MCF10Ca1h y BT-474 mantienen un fenotipo esférico compacto hasta 96 h después del recubrimiento. Cuando se cocultivaron con células endoteliales microvasculares EA.hy926, fibroblastos BJ-5ta y/o células similares a monocitos THP-1, los esferoides desarrollaron protuberancias celulares en la periferia, que se hicieron más pronunciadas a las 96 h (Figura 2A-C). Es importante destacar que estos fenómenos de protuberancia, gemación y compactación de los esferoides representan variaciones de la organización celular del esferoide canceroso y las células estromales cocultivadas que se correlacionaron con la invasividad 3D después de la adición de un hidrogel basado en la membrana basal como Matrigel. La morfología de la gemación varió de agregados celulares sólidos a sueltos, asemejándose a la morfología de los organoides. Por el contrario, los esferoides de monocultivo MDA-MB-468 aparecieron como agregados celulares grandes y sueltos. Sin embargo, cuando las células MDA-MB-468 se cocultivaron con EA.hy926, BJ-5ta y/o THP-1, formaron esferoides compactos (Figura 2D).

Figura 2: Gama de arquitecturas y morfologías adoptadas por las combinaciones de células estromales no epiteliales en combinación cuando se combinan con células epiteliales tumorales/no tumorales en cultivos 3D sin andamios. Imágenes representativas de campo claro de (A) esferoides MCF10A, (B) MCF10Ca1h, (C) BT-474, (D) MDA-MB-468 en monocultivo o en cocultivo con fibroblastos estromales BJ-5ta/células endoteliales microvasculares Ea.hy926 o células cella similares a monocitos Ea.hy926/THP-1 o células BJ-5ta/THP-1 durante 96 h. Cada esferoide se formó mediante la siembra de 2.000 células. Los esferoides en condiciones de monocultivo se formaron utilizando 2.000 células epiteliales. Los esferoides en condiciones de cocultivo se formaron utilizando 1.000 células epiteliales y dos tipos diferentes de células estromales de 500 células. La formación de estructuras similares a organoides en gemación o agregadas se inició en condiciones de cocultivo de esferoides 24 h después de la siembra en células epiteliales MCF10A, MCF10Ca1h y BT-474. La compactación de las células MDA-MB-468 se observó en condiciones de cocultivo de esferoides 25 h después de la siembra. Barras de escala = 100 μm. Abreviatura: hpp = horas después del enchapado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
A las 72 h después de la siembra, las células MCF10A, MCF10Ca1h y BT-474 cocultivadas con EA.hy926 y THP-1, o con BJ-5ta y THP-1, mostraron un aumento significativo en el área de esferoides en comparación con los esferoides epiteliales de monocultivo. MCF10Ca1h también mostró un aumento significativo en el área de esferoide cuando se co-cultivó con EA.hy926 y BJ-5ta. La aparición de estructuras en gemación en esferoides cocultivados condujo a una disminución significativa en la circularidad de los esferoides para MCF10A, MCF10Ca1h y BT-474 cocultivados con EA.hy926 y THP-1, o con BJ-5ta y THP-1. Se observaron efectos similares para BT-474 co-cultivado con EA.hy926 y BJ-5ta (Figura 3A,B). Por el contrario, las células MDA-MB-468 cocultivadas con EA.hy926 y BJ-5ta, EA.hy926 y THP-1, o BJ-5ta y THP-1, mostraron una disminución significativa en el área de esferoide en comparación con los esferoides MDA-MB-468 de monocultivo; sin embargo, no hubo ningún efecto sobre la circularidad (Figura 3A,B).

Figura 3: Gráficos de análisis de área y circularidad de cultivos sin andamio 3D estromales monocultivados y heteromulticelulares a las 72 h después de la siembra. (A) Área promedio (cm2) y (B) circularidad promedio de MCF10A, MCF10Ca1h, BT-474 y MDA-MB-468 en cultivos de esferoides estromales monocultivados y heteromulticelulares 72 h después de la siembra. Los datos reportados son representativos de al menos tres réplicas biológicas independientes y se reportan como promedios técnicos de réplicas ± SEM, a menos que se indique lo contrario. *, **, *** o **** representan valores p < 0,05, 0,01, 0,001 o 0,0001, respectivamente, a menos que se indique lo contrario. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La aplicación del colorante rastreador de células a las células epiteliales tumorigénicas BT-474 y a las células estromales antes del establecimiento del esferoide demostró que las células estromales, incluidas EA.hy926 y BJ-5ta, formaron las estructuras en ciernes en el perímetro de los esferoides centrales BT474 (Figura 4, Video Suplementario S1, Video Suplementario S2, Video Suplementario S3 y Video Suplementario S4 ). A las 48 h después de la siembra, las imágenes individuales de fluorescencia de campo amplio de esferoides cocultivados con fibroblastos revelan que los esferoides de fibroblastos se colocalizaron junto con las células endoteliales, pero no se colocalizaron con los esferoides BT-474. También se encontró que una minoría de células endoteliales se colocalizan con los esferoides BT-474 en condiciones de cocultivo. Esto sugiere que la disposición de las células estromales dentro del esferoide se correlaciona con una morfología similar a la de un organoide.

Figura 4: Imágenes fijas de fluorescencia de campo amplio de células estromales y BT-474 teñidas diferencialmente en cultivos 3D heteromulticelulares a las 48 h después de la siembra. Los esferoides BT-474 se tiñen con un tinte fluorescente Blue Cell Tracker. Los fibroblastos BJ-5ta se tiñen con un colorante rastreador de células naranja, representado en color rojo. Las células endoteliales Ea.hy926 se tiñen con un tinte rastreador de glóbulos rojos intensos, representados en color verde. Cada esferoide se formó mediante la siembra de 2.000 células. Los esferoides en condiciones de monocultivo se formaron utilizando 2.000 células epiteliales. Los esferoides en condiciones de cocultivo (BT-474/BJ-5ta, BT-474/Ea.hy926) se formaron utilizando 1.000 células epiteliales y 1.000 células estromales. Se formaron esferoides en condiciones de doble cocultivo (BT-474/BJ-5ta/Ea.hy926) utilizando 1.000 células epiteliales y 500 células de cada tipo de célula estromal. Las figuras son representativas de al menos tres réplicas biológicas. Barra de escala = 100 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para evaluar la relevancia biológica de nuestro modelo de esferoide organoide, los esferoides se recubrieron con una solución de extracto de membrana basal 24 h después de la siembra. Los esferoides de monocultivo BT-474 no mostraron propiedades invasivas 120 h después de la siembra. Sin embargo, los esferoides BT-474 cocultivados con BJ-5ta o EA.hy926 desarrollaron estructuras en la periferia del esferoide, que invadieron el entorno de la solución de extracción de membrana basal del andamio. El número y la longitud de estas protuberancias aumentaron significativamente en los esferoides BT-474 cocultivados con BJ-5ta y EA.hy926 a 48 h a 120 h después de la siembra (Figura 5, Video Suplementario S5, Video Suplementario S6, Video Suplementario S7 y Video Suplementario S8).

Figura 5: Imágenes fijas de campo claro de células BT-474 en cultivos 3D heteromulticelulares con superposición de solución de extracto de membrana basal a los 5 días posteriores a la superposición. Cada esferoide se formó mediante la siembra de 2.000 células. La solución de extracto de membrana basal se superpuso sobre esferoides 24 h después de la siembra. Los esferoides en condiciones de monocultivo se formaron utilizando 2.000 células epiteliales. Los esferoides en condiciones de cocultivo (BT-474/BJ-5ta y BT-474/Ea.hy926) se formaron utilizando 1.000 células epiteliales y 1.000 células estromales. Se formaron esferoides en condiciones de doble cocultivo (BT-474/BJ-5ta/Ea.hy926) utilizando 1.000 células epiteliales y 500 células de cada tipo de célula estromal. (A) Las estructuras invasivas que sobresalen del esferoide del cáncer incrustadas en la solución de extracto de membrana basal se pueden observar en condiciones de cocultivo. (B) Calificación de conteo de protuberancias invasivas en el tiempo 48 hpp. (C) Calificación de la longitud de la protuberancia invasiva en el tiempo 48 hpp. Las figuras son representativas de al menos tres réplicas biológicas. Barra de escala = 200 μm. Abreviatura: hpp = horas después del enchapado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Video suplementario S1: Esferoide de monocultivo BT-474 con colorante azul rastreador de células. Las células BT-474 (2.000) se resuspendieron en una microplaca de 96 pocillos con fondo ultrabajo y fondo en forma de U para formar esferoides. Se capturó una superposición de imágenes de fluorescencia de campo claro y campo amplio durante 48 h. Abreviatura: ULA = fijación ultrabaja. Haga clic aquí para descargar este video.
Video complementario S2: Esferoides BT-474 cocultivados con fibroblastos BJ-5ta. Los fibroblastos BT-474 (1.000) y 1.000 fibroblastos BJ-5ta se resuspendieron en placas de ULA para formar esferoides. Las células BT-474 se incubaron con colorante azul rastreador celular y los fibroblastos BJ-5ta con colorante naranja rastreador celular. Se capturó una superposición de imágenes de fluorescencia de campo claro y campo amplio (azul = BT-474, rojo = BJ-5ta) durante 48 h. Abreviatura: ULA = fijación ultrabaja. Haga clic aquí para descargar este video.
Video complementario S3: Esferoides BT-474 cocultivados con células endoteliales Ea.hy926. Las células endoteliales BT-474 (1.000) y 1.000 Ea.hy926 se resuspendieron en placas de ULA para formar esferoides. Las células BT-474 se incubaron con colorante azul rastreador de células y las células endoteliales Ea.hy926 con colorante rojo intenso rastreador de células. Se capturó una superposición de imágenes fluorescentes de campo claro y campo amplio (azul = BT-474, verde = Ea.hy926) durante 48 h. Abreviatura: ULA = fijación ultrabaja. Haga clic aquí para descargar este video.
Video suplementario S4: Esferoides BT-474 cocultivados con fibroblastos BJ-5ta y células endoteliales Ea.hy926. BT-474 (1.000), 500 fibroblastos BJ-5ta y 500 células endoteliales Ea.hy926 se resuspendieron en placas de ULA para formar esferoides. Las células BT-474 se incubaron con tinte azul rastreador de células. Los fibroblastos BJ-5ta y las células endoteliales Ea.hy926 se incubaron con colorante naranja rastreador de células y colorante rojo intenso, respectivamente. Se capturó una superposición de imágenes fluorescentes de campo claro y campo amplio (azul = BT-474, rojo = BJ-5ta, verde = Ea.hy926) durante 48 h. Abreviatura: ULA = fijación ultrabaja. Haga clic aquí para descargar este video.
Video complementario S5: Esferoide de monocultivo BT-474 en solución de extracto de membrana basal. Las células BT-474 (2.000) se resuspendieron en placas de ULA para formar esferoides, y los esferoides se incrustaron en una solución de membrana basal 24 h después de la siembra. Las imágenes de campo claro se tomaron durante 60 h. Abreviatura: ULA = fijación ultrabaja. Haga clic aquí para descargar este video.
Video complementario S6: Esferoides BT-474 cocultivados con fibroblastos BJ-5ta en solución de extracto de membrana basal. Los fibroblastos BT-474 (1.000) y 1.000 BJ-5ta se resuspendieron en placas de ULA para formar esferoides, y los esferoides se incrustaron en una solución de extracto de membrana basal 24 h después de la siembra. Las imágenes de campo claro se tomaron durante 60 h. Abreviatura: ULA = fijación ultrabaja. Haga clic aquí para descargar este video.
Video complementario S7: Esferoides BT-474 cocultivados con células endoteliales Ea.hy926 en solución de extracto de membrana basal. Las células endoteliales BT-474 (1.000) y 1.000 Ea.hy926 se resuspendieron en placas de ULA para formar esferoides, y los esferoides se incrustaron en una solución de extracto de membrana basal 24 h después de la siembra. Las imágenes de campo claro se tomaron durante 60 h. Abreviatura: ULA = fijación ultrabaja. Haga clic aquí para descargar este video.
Video complementario S8: Esferoides BT-474 cocultivados con fibroblastos BJ-5ta y células endoteliales Ea.hy926 en solución de extracto de membrana basal. BT-474 (1.000), 500 fibroblastos BJ-5ta y 500 células endoteliales Ea.hy926 se resuspendieron en placas de ULA para formar esferoides, y los esferoides se incrustaron en una solución de extracto de membrana basal 24 h después de la siembra. Las imágenes de campo claro fueron tomadas durante 60 h. Haga clic aquí para descargar este video.