$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Trójwymiarowe (3D) modele hodowlane, które dokładniej naśladują architekturę guza i mikrośrodowisko in vivo, są ważne dla badań mających na celu analizę złożonych interakcji 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 zrębu przyczynia się do wymiarowości guza i wpływa na sygnalizację komórka-ECM oraz sygnalizację parakrynną między komórkami zrębu a złośliwymi komórkami nabłonka. Wpływ wymiarowości guza i mikrośrodowiska na funkcję komórkową jest dobrze znany, przy czym oba czynniki zmieniają odpowiedź na lek1,3,5-8. Ponadto kinetyka wzrostu komórkowego, tempo metabolizmu i sygnalizacja komórkowa różnią się między kulturą dwuwymiarową (2D) a hodowlą w 3D, przy czym czynniki te wpływają na odpowiedź komórkową1,3,8-10.
In vitro, mikrośrodowisko zastępcze guza może być modulowane poprzez włączenie reprezentatywnych składników ECM i populacji komórek zrębu. Złośliwe komórki nabłonkowe są pod wpływem ECM i komórek zrębu związanych z rakiem w sposób synergiczny/ochronny, aby promować progresję nowotworu, lub w sposób hamujący, aby zahamować dalszą propagację guza5,6,10. W obu przypadkach zrąb może wpływać na odpowiedź terapeutyczną i dostarczanie leków poprzez sygnalizację parakrynną i/lub poprzez zwiększenie ciśnienia śródmiąższowego w guzie, co skutkuje zmniejszonym dostarczaniem leku1,6. Dlatego dodanie ECM i komórek zrębu do modeli przedklinicznych pomoże podsumować aspekty guza, których nie można dobrze modelować w hodowli 2D.
Tutaj opisana jest metoda tworzenia substytutów raka piersi, które zawierają rekapitulacyjne mikrośrodowisko, w tym składniki ECM i komórki zrębu, w objętości 3D. W raku piersi populacja komórek zrębu składa się głównie z fibroblastów związanych z rakiem (CAF), a ECM zrębu składa się w dużej mierze z kolagenu typu I z mniejszym udziałem składników macierzy, które znajdują się w błonie podstawnej, w tym lamininy i kolagenu typu IV1,4,11-13. Dlatego te składniki mikrośrodowiska raka piersi (tj. CAF, kolagen I i błona podstawna) zostały włączone do surogatów. Metoda ta może być stosowana do generowania stałych, nieperfundowanych substytutów 3D (rysunek 1A) lub może być dostosowana do włączenia perfuzji pożywki przez substytut za pośrednictwem systemu bioreaktora (rysunek 1B). Oba podejścia zostały opisane tutaj. Metoda ta może być również zmodyfikowana w celu uwzględnienia innych elementów zrębu, takich jak makrofagi związane z nowotworem, lub w celu modelowania innych guzów litych poprzez odpowiednie dostosowanie komponentów komórkowych i ECM.
Dla opisanego tutaj surogatu raka piersi, wykorzystaliśmy linię komórkową raka piersi MDA-MB-231 (231), CAF wcześniej wyizolowaną z ludzkiego raka piersi14, oraz ECM składający się z 90% kolagenu I (6 mg/ml) i 10% materiału błony podstawnej zredukowanego przez czynnik wzrostu (BM). Surogat jest hodowany w 8-dołkowym szkiełku komorowym (substytut stały) lub system bioreaktora jest wykorzystywany do zapewnienia ciągłej perfuzji składników odżywczych (perfekowany substytut). Można użyć dowolnego systemu bioreaktora perfuzyjnego, który może pomieścić objętość komórek zawierających ECM15. Jako przykład opisujemy przygotowanie substytutów tkanek w naszym systemie bioreaktora. Ten system został opracowany wewnętrznie i nie jest dostępny na rynku. Ponieważ skupiamy się tutaj na przygotowaniu i analizie substytutów tkanek 3D, nie wdaliśmy się w szczegółowe informacje dotyczące specyfiki produkcji i montażu naszego systemu bioreaktora. Szczegółowy opis tego systemu i jego rozwoju został jednak opublikowany16. W tym systemie bioreaktorów kanał przepływowy z polidimetylosiloksanu (PDMS) jest używany do przechowywania surogatu, który jest podtrzymywany przez piankę PDMS (utworzoną przy użyciu metod podobnych do tych opisanych przez Calcagnile i wsp.).17). Objętość ta jest penetrowana przez 4 mikrokanały (każdy o średnicy 400 μm), które są w sposób ciągły perfundowane przez pożywkę za pomocą pompy mikrofizjologicznej w celu dostarczenia tlenu i składników odżywczych do substytutu.
Właściwa analiza surogatów jest kluczowa, aby uzyskać istotne informacje na temat funkcji komórkowej w odpowiedzi na leczenie lub inne manipulacje. Surogaty można analizować różnymi metodami, w tym bezpośrednim obrazowaniem nienaruszonych substytutów za pomocą mikroskopii konfokalnej lub innych środków nieinwazyjnego obrazowania, pośrednią analizą komórkową poprzez oznaczanie kondycjonowanych pożywek lub perfugatu dla wydzielanych produktów lub analizę na skrawkach histologicznych po utrwaleniu i przetworzeniu na parafinę. Jednym z takich parametrów, który można ocenić na przekrojach histologicznych, jest gęstość komórek. Przedstawiamy jedno podejście do pomiaru gęstości komórek (tj. liczby komórek jądrzastych na obszar sekcji) przy użyciu półautomatycznych technik przetwarzania obrazu stosowanych do fotomikrofotografii zastępczych skrawków histologicznych barwionych hematoksyliną i eozyną (H&E). Gęstość komórek może być wykorzystana jako wskaźnik względnej zmiany liczby komórek w czasie lub wynikającej z różnych warunków wzrostu i zabiegów.

Rysunek 1. 3D objętości i systemu bioreaktora. A) Schemat procesu generowania stałych substytutów 3D. U góry: karykatura przedstawiająca bryłę 3D zawierającą ECM (różowy), komórki raka nabłonkowego (żółty) i CAF (pomarańczowy); U dołu: widok z góry na szkiełko 8-dołkowe zawierające surogaty. B) Schemat procesu generowania perfuzjowanych surogatów 3D. U góry: rysunek objętości 3D z kanałami umożliwiającymi średnią perfuzję i zawierającymi ECM (różowy), komórki raka nabłonkowego (żółty) i CAF (pomarańczowy); Środek: obraz kanału przepływowego PDMS zawierającego piankę PDMS (strzałka), który ma być wstrzyknięty za pomocą ogniwa + ECM i przeniknięty przez druty ze stali nierdzewnej pokrytej polimerem (różowa strzałka) o średnicy 400 μm; U dołu: obraz kanału przepływowego PDMS zawierającego surogat i podłączonego do systemu bioreaktora, aby umożliwić ciągłą perfuzję medium (pompa perystaltyczna i zbiornik pożywki nie pokazano). C) Obrazy etapów przetwarzania zarówno dla stałych, jak i perfundowanych substytutów po hodowli. Po lewej: zdjęcie kriomoldu zawierającego żel do przetwarzania próbek i surogat; Środek: obraz bloku parafiny zawierającego utrwalony i przetworzony surogat; Po prawej: obraz szklanego preparatu z wycinkiem histologicznym surogatki wybarwionym H&E. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.