Creazione di un modello fisiologico di microtumore vascolarizzato umano per la ricerca sul cancro
15 settembre 2023
Questo protocollo presenta un modello tumore-on-a-chip fisiologicamente rilevante per eseguire ricerche di base e traslazionali sul cancro umano ad alto rendimento, facendo progredire lo screening dei farmaci, la modellazione delle malattie e gli approcci di medicina personalizzata con una descrizione delle procedure di carico, manutenzione e valutazione.
La nostra piattaforma tumor-on-a-chip è stata sviluppata per modellare fisiologicamente la crescita di microtumori vascolarizzati umani e ci consente di rispondere a domande di ricerca sia di base che traslazionale. Domande che si concentrano sulla biologia di base del tumore, sull'efficacia dei farmaci, sulla risposta del tumore, sui processi immunologici sottostanti, sul potenziale intervento immunoterapico e sugli approcci terapeutici personalizzati. Tradurre efficacemente le scoperte precliniche in potenti trattamenti contro il cancro dipende dalla replica fedele dello stato della malattia e dei sistemi modello.
Questo protocollo delinea l'instaurazione del microtumore vascolarizzato, o VMT, per imitare il microambiente tumorale in vitro. La VMT riproduce fedelmente gli aspetti chiave di un tumore umano, producendo risultati clinicamente rilevanti. Il nostro modello ci consente di eseguire ricerche sul cancro umano traslazionali e fisiologicamente rilevanti.
In particolare, il nostro protocollo, a differenza di altri modelli, incorpora condizioni di flusso dinamico, consente l'integrazione di cellule immunitarie e immunoterapia e ci consente inoltre di incorporare approcci di medicina personalizzata. Stiamo impiegando il modello VMT per promuovere iniziative di medicina personalizzata sia in ambito preclinico che clinico. Questo modello approfondisce la nostra comprensione dei fattori microambientali nelle interazioni cellula-cellula, influenzando la resistenza terapeutica e la progressione del cancro.
Inoltre, il VMT si mostra promettente nella scoperta di trattamenti personalizzati specifici per il paziente per una migliore assistenza clinica.
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Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo dettagliato per l'allestimento di una piattaforma di microtumore vascolarizzato (VMT) o "tumore-su-un-chip" che riproduce in modo accurato l'ambiente microscopico del tumore umano in vitro. Il sistema VMT integra diversi tipi cellulari umani in condizioni di flusso dinamico all'interno di un dispositivo microfluidico, consentendo lo studio della biologia tumorale, dell'efficacia farmacologica, delle interazioni immunitarie e di approcci alla medicina personalizzata in un contesto fisiologicamente rilevante.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Biologia del cancro
- Modellizzazione dell'ambiente tumorale
- Ingegneria dei tessuti
- Microfluidica
Sfondo
- I modelli tradizionali di cancro in vitro spesso non riescono a replicare la complessità del microambiente tumorale.
- Una ricerca preclinica efficace e lo sviluppo di terapie richiedono modelli che includano la vascolarizzazione e le barriere fisiologiche.
- La piattaforma VMT supera questi limiti formando reti vascolari de novo e sostenendo la crescita tumorale in condizioni di flusso.
- L'integrazione di cellule immunitarie e la possibilità di imaging ad alta risoluzione permettono studi avanzati sulle interazioni tra tumore e sistema immunitario e sulla metastasi.
Scopo dello studio
- Sviluppare e validare un sistema microfisiologico che riproduca in vitro il microambiente tumorale umano.
- Permettere la ricerca traslazionale sulla biologia tumorale, sulla risposta ai farmaci e sull'immunoterapia.
- Facilitare la medicina personalizzata adattando la piattaforma a cellule derivate dal paziente e a trattamenti personalizzati.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di sospensioni cellulari e componenti della matrice extracellulare (fibrinogeno, trombina, laminina).
- Caricamento delle miscele cellula-matrice in piastre microfluidiche sterili rispetto ai raggi UV e polimerizzazione del gel.
- Stabilimento di un flusso dinamico e perfusione del mezzo attraverso i microcanali.
- Acquisizione di immagini al microscopio per monitorare la formazione della rete vascolare, la distribuzione cellulare e test funzionali (ad esempio, perfusione di dextrano-FITC).
- Perfusione di cellule tumorali e cellule immunitarie (ad esempio, linfociti T) per studiare l'estravasazione e le interazioni tra cellule.
Risultati principali
- Le cellule endoteliali hanno formato reti vascolari continue e perfuse entro quattro giorni, confermato da una minima fuoriuscita di dextrano-FITC.
- Le cellule tumorali perfuse nel sistema si sono attaccate all'endotelio ed hanno effettuato l'extravasazione, formando micrometastasi entro 24 ore.
- L'immagine in time-lapse ha dimostrato un rapido attaccamento dei linfociti T e la loro extravasazione nell'ambiente microtumorale.
- Il modello VMT ha mantenuto l'eterogeneità tumorale, i profili di espressione genica e le risposte ai farmaci simili a quelli dei tumori in vivo.
Conclusioni
- La piattaforma VMT fornisce un modello solido e fisiologicamente rilevante per lo studio della biologia tumorale umana e delle risposte terapeutiche.
- Permette l'analisi della dinamica delle cellule immunitarie, delle barriere al rilascio dei farmaci e delle strategie di trattamento personalizzate.
- Questo approccio promuove sia la ricerca fondamentale che quella traslazionale sul cancro, colmando il divario tra i modelli tradizionali in vitro e la realtà clinica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
I modelli tumorali fisiologicamente rilevanti rimangono un collo di bottiglia fondamentale per la scoperta predittiva di farmaci in oncologia e per la ricerca traslazionale. La piattaforma del microtumore vascolarizzato (VMT) consente una riproduzione ad alta fedeltà del microambiente tumorale umano, supportando una valutazione accurata del rilascio del farmaco, dell'infiltrazione delle cellule immunitarie e della risposta terapeutica. Questo sistema aumenta l'affidabilità predittiva nel punto critico della fase preclinica, influenzando direttamente la selezione dei progetti e le iniziative di medicina personalizzata.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi della biologia tumorale e dei meccanismi microambientali che influenzano la resistenza terapeutica.
- Consente la validazione funzionale di bersagli in un contesto vascolarizzato e rilevante per l'uomo.
- Facilita la riduzione del rischio meccanicistico modellando le interazioni tra sistema immunitario e tumore nonché quelle con il microambiente stromale.
- Migliora l'affidabilità predittiva per la selezione di bersagli candidati da avanzare nei flussi di screening.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce una piattaforma standardizzata e riproducibile per saggi quantitativi dell'efficacia farmacologica e dell'extravasazione delle cellule immunitarie.
- Consente imaging ad alta risoluzione e visualizzazione diretta del comportamento di composti e cellule in un microambiente perfuso.
- Permette la scalabilità del saggio e il riutilizzo della piattaforma su diversi tipi di tumore e campioni derivati da pazienti.
- Fornisce letture fisiologicamente rilevanti per la selezione dei composti e studi meccanicistici.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Si allinea con l'eterogeneità tumorale umana e le firme di espressione genica rilevanti per la malattia.
- Consente continuità dalla scoperta alla validazione preclinica mediante cellule primarie del paziente.
- Supporta la scoperta di biomarcatori traslazionali e la valutazione di strategie terapeutiche personalizzate.
- Riduce il rischio traslazionale modellando barriere al rilascio del farmaco e risposte immunitarie simili a quelle in vivo.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
La piattaforma VMT collega la fase iniziale della scoperta, l'identificazione dei composti promettenti e la ricerca traslazionale fornendo un sistema fisiologicamente rilevante e scalabile per la verifica delle ipotesi e la valutazione dei farmaci.
- Biologia della scoperta: Modella le interazioni tra tumore, sistema immunitario e stroma per chiarire le dipendenze delle vie di segnalazione e i meccanismi di resistenza.
- Screening: Fornisce risultati quantitativi riproducibili per saggi farmacologici e cellulari immunitari in condizioni di flusso dinamico.
- Analisi: Consente imaging ad alto contenuto informativo e misurazioni quantitative di extravasazione, metastasi e risposta terapeutica.
- Ricerca traslazionale: Supporta l'allineamento dei biomarcatori e la medicina personalizzata attraverso l'impiego di cellule primarie derivate da pazienti.
- Riutilizzo aziendale: Adattabile a diversi tipi di tumore e programmi di ricerca, favorisce la standardizzazione della piattaforma e la comparabilità tra progetti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella ricerca oncologica.
- Valore operativo: Standardizza la modellizzazione complessa dei tumori e consente flussi di lavoro riproducibili e scalabili.
- Valore strategico: Migliora la qualità delle decisioni di avanzamento/cessazione e l'efficienza del capitale riducendo i rischi associati ai candidati nelle fasi iniziali.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e la promozione di asset con potenziale traslazionale validato, adeguata al livello di rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in microfluidica, ingegneria tissutale e imaging avanzato.
- Richiede l'accesso a strumentazioni specializzate per la manipolazione di dispositivi microfluidici e l'imaging di cellule vive.
- Necessita di una standardizzazione intersettoriale per l'approvvigionamento cellulare, le condizioni di co-coltura e i protocolli analitici.
- È adattabile a una varietà di tipi tumorali e campioni primari da pazienti, previa ottimizzazione del protocollo.
- I limiti pratici includono vincoli di capacità produttiva e la necessità di una rigorosa validazione di nuove fonti cellulari.
Domande frequenti sul biopharma
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:41
Preparing a Vascularized Micro‐Tumor System Using Human Cells for Studying Tumors and Drug Responses
3:34
Introducing Human Cells intoa Microfluidic Device to Investigate Tumor Progression in a Vascularized Micro‐Tumor System
