הקמת מודל פיזיולוגי למיקרו-גידולים וסקולריים אנושיים לחקר הסרטן
15 בספטמבר 2023
פרוטוקול זה מציג מודל גידול-על-שבב רלוונטי מבחינה פיזיולוגית לביצוע מחקר סרטן אנושי בסיסי ותרגומי בתפוקה גבוהה, קידום בדיקות סקר לתרופות, מידול מחלות וגישות רפואה מותאמת אישית עם תיאור של נהלי העמסה, תחזוקה והערכה.
פלטפורמת הגידול-על-שבב שלנו פותחה כדי למדל פיזיולוגית את הצמיחה של גידולי מיקרו וסקולריים אנושיים, ומאפשרת לנו לענות על שאלות מחקר בסיסיות ותרגומיות כאחד. שאלות המתמקדות בביולוגיה בסיסית של גידולים, יעילות תרופות, היענות לגידול, תהליכים אימונולוגיים בסיסיים, התערבות אימונותרפית פוטנציאלית וגישות טיפול מותאמות אישית. תרגום יעיל של תגליות פרה-קליניות לטיפולים רבי עוצמה בסרטן תלוי בשכפול נאמן של מצב המחלה ומערכות המודל.
פרוטוקול זה מתאר את הקמתו של גידול מיקרו וסקולרי, או VMT, כדי לחקות את המיקרו-סביבה של הגידול במבחנה. ה-VMT משחזר נאמנה היבטים מרכזיים של גידול אנושי, ומניב ממצאים רלוונטיים מבחינה קלינית. המודל שלנו מאפשר לנו לבצע מחקר סרטן אנושי רלוונטי מבחינה פיזיולוגית.
באופן ספציפי, הפרוטוקול שלנו, בניגוד למודלים אחרים, משלב תנאי זרימה דינמיים, מאפשר שילוב של תאי חיסון ואימונותרפיה, ובנוסף מאפשר לנו לשלב גישות של רפואה מותאמת אישית. אנו משתמשים במודל VMT כדי להניע יוזמות של רפואה מותאמת אישית קדימה הן בזירה הפרה-קלינית והן בזירה הקלינית. מודל זה מעמיק את הבנתנו את הגורמים המיקרו-סביבתיים באינטראקציות בין תאים לתאים, ומשפיע על עמידות טיפולית ועל התקדמות סרטן.
יתר על כן, VMT מראה הבטחה בגילוי טיפולים מותאמים אישית ספציפיים למטופל לטיפול קליני משופר.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול מפורט להקמת פלטפורמה של מיקרוגידול מכוvסויה (VMT) או מערכת של גידול-על-שבב (tumor-on-a-chip), המדמה באופן הדוק את הסביבה המיקרוסקופית של גידול אנושי בתנאי in vitro. מערכת ה-VMT משלבת סוגי תאים אנושיים מרובים תחת תנאי זרימה דינמיים בתוך התקן מיקרופלואידי, ובכך מאפשרת את חקר הביולוגיה של הגידול, יעילות תרופתית, אינטראקציות חיסוניות וגישות לרפואה מותאמת אישית בהקשר פיזיולוגי רלוונטי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ביולוגיה של הסרטן
- מידול מיקרו-סביבת הגידול
- הנדסת רקמות
- מיקרופלואידיקה
רקע
- מודלים מסורתיים של סרטן in vitro נכשלים לעיתים קרובות בשחזור המורכבות של הסביבה המיקרוסקופית של הגידול.
- מחקר פרה-קליני יעיל ופיתוח טיפוליים דורשים מודלים המשלבים וסקולריזציה ומחסומים פיזיולוגיים.
- פלטפורמת ה-VMT נותנת מענה למגבלות אלו על ידי יצירת רשתות כלי דם de novo ותמיכה בצמיחת הגידול תחת תנאי זרימה.
- שילוב של תאי מערכת החיסון ויכולות דימוי ברזולוציה גבוהה מאפשרים מחקרים מתקדמים של אינטראקציות בין הגידול למערכת החיסון ושל גרורות.
מטרת המחקר
- פיתוח ותיקוף של מערכת מיקרו-פיזיולוגית המשחזרת את הסביבה המיקרו-סביבתית של גידולים אנושיים in vitro.
- מתן אפשרות למחקר תרגומי (translational research) על ביולוגיה של גידולים, תגובה לתרופות ואימונותרפיה.
- קידום רפואה מותאמת אישית על ידי התאמת הפלטפורמה לתאים המופקים מחולה ולטיפולים מותאמים אישית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת תרחיפי תאים ומרכיבי מטריצה חוץ-תאית (fibrinogen, thrombin, laminin).
- טעינת תערובות של תאים ומטריצה לתוך פלטות מיקרופלואידיות שעברו סטריליזציה ב-UV ופולימריזציה של הג'ל.
- הקמת זרימה דינמית ופרפוזיה של מצע גידול דרך מיקרו-תעלות.
- דימות מיקרוסקופי למעקב אחר היווצרות רשת כלי דם, התפלגות תאים ובדיקות תפקודיות (למשל, פרפוזיה של FITC-dextran).
- פרפוזיה של תאי סרטן ותאי מערכת החיסון (למשל, T-cells) לבחינת extravasation ואינטראקציות בין תאים.
תוצאות עיקריות
- תאים אנדותליאליים יצרו רשתות כלי דם רציפות ומופעלות בביצוע פרפוזיה בתוך ארבעה ימים, כפי שאושר על ידי דליפה מינימלית של FITC-dextran.
- תאי סרטן שהוזרקו למערכת באמצעות פרפוזיה נצמדו לאנדותל ועברו אקסטרואוזציה, תוך יצירת מיקרו-מטסטזים בתוך 24 שעות.
- דימוי Time-lapse הדגים היצמדות מהירה של תאי T ואקסטרואוזציה שלהם אל תוך הסביבה המיקרו-סביבתית של הגידול.
- מודל ה-VMT שימר את ההטרוגניות של הגידול, את חתימות ביטוי הגנים ואת פרופילי התגובה לתרופות באופן דומה לגידולים in vivo.
מסקנות
- פלטפורמת ה-VMT מספקת מודל חסון ורלוונטי מבחינה פיזיולוגית לחקר הביולוגיה של גידולים אנושיים ותגובות טיפוליות.
- היא מאפשרת חקירה של דינמיקה של תאי חיסון, מחסומים בהספקה של תרופות ואסטרטגיות טיפול מותאמות אישית.
- גישה זו מקדמת מחקר בסיסי וטרנסלציונלי בסרטן על ידי גישור על הפער שבין מודלים מסורתיים in vitro למציאות הקלינית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית להנהלה
מודלים של גידולים בעלי רלוונטיות פיזיולוגית נותרו צוואר בקבוק קריטי עבור גילוי תרופות אונקולוגיות חזויים ומחקר תרגומי. פלטפורמת המיקרו-גידול העשיר בכלי דם (VMT) מאפשרת שחזור ברמת דיוק גבוהה של הסביבה המיקרומבנית של גידול אנושי, ותומכת בהערכה נמרצת של הולכת תרופות, חדירת תאי חיסון ותגובה טיפולית. מערכת זו משפרת את הביטחון החזוי בנקודת התפנית הפרה-קלינית, ובכך משפיעה ישירות על מיון תיקי פיתוח ויוזמות של רפואה מותאמת אישית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטי
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של הביולוגיה של הגידול ומנגנוני המיקרו-סביבה המשפיעים על עמידות טיפולית.
- תומך בתיקוף תפקודי של מטרות בתוך הקשר וסקולרי הרלוונטי לבני אדם.
- מקל על הפחתת סיכונים מנגנונית על ידי מידול של אינטראקציות בין מערכת החיסון לגידול ולסטרומה.
- משפר את רמת הביטחון החזויית להעברת מטרות מועמדות למסלולי סריקה.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מספקת פלטפורמה סטנדרטית וניתנת לשחזור לבדיקות כמותיות של יעילות תרופות ויציאה של תאי מערכת החיסון מהכלי הדם (extravasation).
- מאפשרת דימות ברזולוציה גבוהה וויזואליזציה ישירה של התנהגות תרכובות ותאים בסביבת מיקרו עם זרימה (perfused microenvironment).
- תומכת ביכולת הרחבה של הבדיקה ובשימוש חוזר בפלטפורמה עבור סוגי גידולים מגוונים ודגימות ממקור מטופלים.
- מספקת תוצאות רלוונטיות פיזיולוגית לצורך תעדוף תרכובות ומחקרי מנגנונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתואם עם ההטרוגניות של גידולי אדם הרלוונטית למחלה ועם חתימות ביטוי גנים.
- מאפשר רצף משלב הגילוי דרך תיקוף פרה-קליני תוך שימוש בתאים ראשוניים של מטופלים.
- תומך בגילוי ביומרקרים תרגומיים ובהערכה של אסטרטגיות טיפוליות מותאמות אישית.
- מפחית סיכון תרגומי על ידי מידול של מחסומי הובלת תרופות ותגובות חיסוניות דמויי in vivo.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
פלטפורמת ה-VMT מגשרת בין שלבי הגילוי המוקדמים, זיהוי המולקולות המובילות (leads) ומחקר תרגומי, על ידי אספקת מערכת ניתנת להרחבה ורלוונטית מבחינה פיזיולוגית לבדיקת היפותזות והערכת תרופות.
- ביולוגיה של הגילוי: ממדל אינטראקציות בין גידול למערכת החיסון ולסטרומה כדי להבהיר תלויות במסלולים ומנגנוני עמידות.
- סריקה: מספקת תוצאות כמותיות הניתנות לשחזור עבור בדיקות תרופות ותאי מערכת החיסון בתנאי זרימה דינמיים.
- אנליטיקה: מאפשרת דימות בעל תוכן גבוה (high-content imaging) ומדידה כמותית של extravasation, גרורות ותגובה טיפולית.
- מחקר תרגומי: תומך בהתאמה של סממנים ביולוגיים וברפואה מותאמת אישית באמצעות התאמה לתאים ראשוניים המופקים מחולה.
- שימוש חוזר ארגוני: ניתן להתאמה לסוגי גידולים ותוכניות מחקר שונות, תוך תמיכה בסטנדרטיזציה של הפלטפורמה וב可שוואה בין פרויקטים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית במחקר אונקולוגי.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של מידול גידולים מורכב ומאפשרת זרימות עבודה הניתנות לשחזור ולהרחבה.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות (go/no-go) ואת יעילות ההון על ידי הפחתת סיכונים של מועמדים בשלב מוקדם.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים ובקידום נכסים בעלי פוטנציאל תרגומיי (translational) מאומת.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות במיקרופלואידיקה, הנדסת רקמות ודימות מתקדם.
- דורש גישה למכשור ייעודי לטיפול בהתקני מיקרופלואידיקה ודימות של תאים חיים.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של מקורות התאים, תנאי תרביות משולבות (co-culture) ופרוטוקולים אנליטיים.
- ניתן להתאמה למגוון סוגי גידולים ולדגימות ראשוניות מחולים, באמצעות אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- מגבלות מעשיות כוללות הגבלות בתפוקה (throughput) וצורך בתיקוף קפדני של מקורות תאים חדשים.
