Trójwymiarowe (3D) modele hodowli, które dokładniej naśladują architekturę i mikrośrodowisko guza in vivo, są istotne dla badań mających na celu analizę złożonych oddziaływań między komórkami a ich mikrośrodowiskiem oraz testowanie skuteczności potencjalnych terapii. Wymiarowość guza wpływa na gradienty tlenu i składników odżywczych, jednorodność ekspozycji na leki, ciśnienie śródmiąższowe/przepływ krwi oraz architekturę 3D1-4. Obecność odpowiedniego mikrośrodowiska zrębowego przyczynia się do wymiarowości guza i wpływa na sygnalizację komórka-ECM oraz sygnalizację paracrynną między komórkami zrębu a złośliwymi komórkami nabłonka. Wpływ wymiarowości guza i mikrośrodowiska na funkcje komórkowe jest dobrze udokumentowany, a oba te czynniki zmieniają odpowiedź na leki1,3,5-8. Ponadto kinetyka wzrostu komórek, tempo metabolizmu i sygnalizacja komórkowa różnią się pomiędzy hodowlą dwuwymiarową (2D) a hodowlą 3D, co wpływa na odpowiedź komórkową1,3,8-10.
In vitro mikrośrodowisko zastępcze guza można modyfikować poprzez wprowadzenie reprezentatywnych składników ECM oraz populacji komórek zrębu. Komórki nabłonka złośliwego pod wpływem ECM i komórek zrębu związanych z nowotworem mogą reagować w sposób synergistyczny/ochronny, promując progresję guza, lub w sposób supresyjny, hamując jego dalszy rozprzestrzenianie się5,6,10. W obu przypadkach zrąb może wpływać na odpowiedź terapeutyczną i dostarczanie leków poprzez sygnalizację parakrynną i/lub poprzez zwiększanie ciśnienia śródmiąższowego w guzie, co skutkuje zmniejszeniem dostarczania leku1,6. Dlatego dodanie ECM i komórek zrębu do modeli przedklinicznych pomoże odtworzyć aspekty guza, których nie można dobrze wymodelować w hodowli 2D.
W niniejszym opracowaniu opisano metodę tworzenia substytutów raka piersi, które w objętości 3D zawierają odtworzone mikrośrodowisko, w tym składniki ECM i komórki zrębowe. W raku piersi populacja komórek zrębowych składa się głównie z fibroblastów związanych z nowotworem (CAF), a zrębowe ECM składa się w przeważającej mierze z kolagenu typu I, z mniejszym udziałem komponentów macierzy występujących w błonie podstawnej, w tym lamininy i kolagenu typu IV1,4,11-13. W związku z tym składniki te mikrośrodowiska raka piersi (tj. CAF, kolagen I oraz błonę podstawną) włączono do substytutów. Metoda ta może być stosowana do generowania litych, nieperfundowanych substytutów 3D (Rycyna 1A) lub może zostać dostosowana do perfuzji medium przez substytut za pomocą systemu bioreaktora (Rycina 1B). Oba podejścia zostały tutaj opisane. Metodę tę można również zmodyfikować, aby uwzględnić inne elementy zrębu, takie jak makrofagi związane z nowotworem, lub aby modelować inne guzy lite poprzez odpowiednie dostosowanie komponentów komórkowych i ECM.
W przypadku opisanego tutaj modelu zastępczego raka piersi wykorzystaliśmy linię komórek raka piersi MDA-MB-231 (231), CAF wcześniej wyizolowane z ludzkiego raka piersi14 oraz ECM składającą się z 90% kolagenu I (6 mg/ml) i 10% materiału błony podstawnej o zredukowanej zawartości czynników wzrostu (BM). Model zastępczy jest hodowany albo w szkiełku z komorami 8-dołkowymi (model stały), albo z wykorzystaniem systemu bioreaktora w celu zapewnienia ciągłej perfuzji składników odżywczych (model perfuzyjny). Można użyć dowolnego systemu bioreaktora perfuzyjnego, który pomieści objętość ECM zawierającą komórki15. Jako przykład opisujemy przygotowanie modeli tkanek w naszym systemie bioreaktora. System ten został opracowany wewnętrznie i nie jest dostępny w sprzedaży. Ponieważ skupiamy się tutaj na przygotowaniu i analizie trójwymiarowych modeli tkanek, nie wchodzimy w szczegóły dotyczące specyfiki produkcji i montażu naszego systemu bioreaktora. Szczegółowy opis tego systemu oraz jego rozwoju został jednak opublikowany16. W tym systemie bioreaktora do pomieszczenia modelu zastępczego wykorzystuje się kanał przepływowy z polidimetylosiloksanu (PDMS), który jest wspierany przez piankę PDMS (wykonaną metodami podobnymi do tych opisanych przez Calcagnile et al.17). Objętość ta jest przeniknięta przez 4 mikrokanały (każdy o średnicy 400 µm), które są stale perfundowane pożywką za pomocą pompy mikrofizjologicznej w celu dostarczenia tlenu i składników odżywczych do modelu zastępczego.
Właściwa analiza substytutów jest kluczowa dla uzyskania istotnych informacji na temat funkcji komórkowych w odpowiedzi na leczenie lub inne manipulacje. Substytuty można analizować różnymi metodami, w tym poprzez bezpośrednie obrazowanie nienaruszonych substytutów z wykorzystaniem mikroskopii konfokalnej lub innych środków obrazowania nieinwazyjnego, pośrednią analizę komórkową poprzez badanie pożywki kondycjonowanej lub perfuzatu pod kątem produktów wydzielniczych, a także analizę na skrawkach histologicznych po utrwaleniu i zatopieniu w parafinie. Jednym z parametrów, które można ocenić na skrawkach histologicznych, jest gęstość komórek. Przedstawiamy podejście do pomiaru gęstości komórek (t.j. liczby komórek z jądrem na powierzchnię skrawka) z wykorzystaniem półautomatycznych technik przetwarzania obrazu zastosowanych do fotomikrografii histologicznych skrawków substytutu barwionych hematoksyliną i eozyną (H&E). Gęstość komórek może służyć jako wskaźnik względnej zmiany liczby komórek w czasie lub zmiany wynikającej z różnych warunków wzrostu i metod leczenia.

Rycina 1. Objętość 3D i system bioreaktora. A) Schemat procesu generowania litych substytutów 3D. Góra: schemat objętości 3D zawierającej ECM (różowy), komórki raka nabłonkowego (żółty) oraz CAF (pomarańczowy); Dół: widok z góry na szkiełko z komorą 8-dołkową zawierającą substytuty. B) Schemat procesu generowania perfuzowanych substytutów 3D. Góra: schemat objętości 3D z kanałami umożliwiającymi perfuzję pożywki, zawierającej ECM (różowy), komórki raka nabłonkowego (żółty) oraz CAF (pomarańczowy); Środek: obraz kanału przepływowego z PDMS zawierającego piankę PDMS (czarna strzałka), do której wstrzyknięto komórki+ECM i przez którą przebiegają powlekane polimerem druty ze stali nierdzewnej (różowa strzałka) o średnicy 400 µm; Dół: obraz kanału przepływowego z PDMS zawierającego substytut i podłączonego do systemu bioreaktora w celu zapewnienia ciągłej perfuzji pożywki (pompa perystaltyczna i zbiornik z pożywką nie są pokazane). C) Obrazy etapów przetwarzania zarówno litych, jak i perfuzowanych substytutów po hodowli. Lewo: obraz formy kriogenicznej zawierającej żel do przetwarzania próbek i substytut; Środek: obraz bloku parafinowego zawierającego utrwalony i przetworzony substytut; Prawo: obraz szkiełka przedmiotowego z histologicznym przekrojem substytutu barwionym H&E. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.