$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mikrośrodowisko nowotworu (TME) to bardzo złożony system składający się z komórek rakowych, które współistnieją i ewoluują wraz ze zrębem gospodarza. Ten składnik zrębu zazwyczaj składa się z fibroblastów, miofibroblastów, komórek śródbłonka, różnych składników odpornościowych, a także macierzy zewnątrzkomórkowej1. Istotnym składnikiem, często przeważającym elementem tego zrębu, są aktywowane fibroblasty, często określane jako fibroblasty związane z rakiem lub fibroblasty związane z rakiem (CAF)2,3. W przeciwieństwie do normalnych, nieaktywowanych fibroblastów, CAF przyczyniają się do inicjacji guza, progresji, angiogenezy, inwazji, przerzutów i nawrotów4-11 w wielu różnych nowotworach, w tym piersi, prostaty, płuc, trzustki, skóry, okrężnicy, przełyku i jajnika5,6,12-17. Jednak dokładny charakter udziału CAF w patogenezie raka pozostaje słabo zdefiniowany. Ponadto dowody kliniczne wykazały wartość prognostyczną, jaką mają CAF, korelując ich obecność z nowotworami złośliwymi o wysokim stopniu złośliwości, niepowodzeniem terapii i ogólnym złym rokowaniem10,18,19.
Oczywiście, poszerzenie naszego zrozumienia zdarzeń inicjujących rozwój CAF, jak również komunikacji międzykomórkowej pośredniczącej w ich roli w TME, może dostarczyć ekscytujących nowych celów terapeutycznych i ulepszonych strategii, które mogą poprawić wyniki leczenia pacjentów. W tym celu opracowano kilka modeli in vivo i in vitro. Chociaż podejścia in vivo bardziej odzwierciedlają TME pacjentów, mają ograniczenia, w tym ogromną złożoność i niejednorodność zarówno w obrębie guzów, jak i między nimi. Co więcej, próbki guzów od ludzi często reprezentują wysoko rozwinięte TME i nie pozwalają na zrozumienie zdarzeń inicjujących TME. Eksperymentalne badania na zwierzętach oferują pewne korzyści, jednak uogólnianie danych na zwierzętach na ludzi powinno być dokonywane z ostrożnością ze względu na różnice w fizjologii między ludźmi a zwierzętami, takimi jak gryzonie (np. chemia tiolu20, tempo metabolizmu21, tolerancja na stres 22 itp.). Co więcej, w przeciwieństwie do populacji ludzkiej, która jest genetycznie niejednorodna z natury, zwierzęta laboratoryjne są zazwyczaj hodowane w celu uzyskania jednorodności. Ponadto często trudno jest zbadać przejściowe zmiany fizjologiczne i zmiany fenotypu komórek, a także kontrolować określone parametry eksperymentalne przy użyciu zwierząt, takich jak gryzonie. W związku z tym 2- i 3-wymiarowe (2D i 3D) modele hodowli tkankowych in vitro są często wykorzystywane do pogłębiania podstawowej wiedzy na temat rozwoju TME. Pomimo braku dokładnego odwzorowania złożoności systemów in vivo, modele te oferują zalety, które znacznie ułatwiają badania mechanistyczne. Modele in vitro pozwalają na bardziej uproszczoną, ukierunkowaną i opłacalną analizę TME, dzięki czemu można uzyskać statystycznie istotne dane w komórkach wolnych od zmian ogólnoustrojowych występujących u zwierząt.
Istnieje kilka odmian systemów in vitro. Dwa najczęściej stosowane modele TME in vitro składają się z mieszanych kultur komórek jednowarstwowych lub sferoidalnych. Obie metody hodowli są korzystne w podstawowych badaniach interakcji międzykomórkowych (np. normalne komórki z komórkami nowotworowymi) oraz w analizie różnych zmian fenotypu komórek specyficznych dla TME (np. pojawienie się fibroblastów związanych z rakiem z normalnych fibroblastów). Dodatkowo, sferoidy są w stanie stworzyć bardziej refleksyjną strukturę przypominającą tkankę TME i mogą być reprezentatywne dla heterogeniczności guza23. Jednak sferoidy często wytwarzają bardzo zróżnicowane gradienty napięcia tlenu w różnych warstwach, co może komplikować wnioski eksperymentalne24. Niestety, oba modele mają bardzo ograniczoną zdolność do izolowania czystych populacji komórek w celu dalszej charakterystyki i badań po wspólnej hodowli. Aby to zrobić, co najmniej jeden typ komórek musiałby zostać fluorescencyjnie oznakowany lub oznaczony za pomocą producenta identyfikującego, a następnie poddać mieszaną kokulturę intensywnemu przetwarzaniu i sortowaniu komórek w celu oddzielenia populacji komórek. Podczas gdy sortownik komórek jest w stanie wyizolować raczej czystą populację komórek, należy być świadomym stresu komórkowego i potencjalnego ryzyka zanieczyszczenia mikrobiologicznego25.
Aby ułatwić zrozumienie komunikacji międzykomórkowej, włożono wiele wysiłku w rozwój i optymalizację systemów in vitro, które ściśle naśladują środowisko in vivo, jednocześnie pozwalając na uproszczone podejście. Jednym z takich narzędzi jest przepuszczalna wkładka mikroporowata, podłoże membranowe, które zostało po raz pierwszy opracowane w 1953 r.26, a następnie dostosowane do różnych zastosowań i badań (np. polaryzacja komórek27, endocytoza28, transport leków29, modelowanie tkanek30, zapłodnienie31, efekt osoby postronnej32,33 itp.). System ten umożliwia wzrost komórek z anatomicznym i funkcjonalnym różnicowaniem podobnym do in vivo, a także ekspresję wielu markerów in vivo 34,35, których nie obserwuje się podczas hodowli na nieprzepuszczalnych naczyniach z tworzyw sztucznych. Co więcej, niezwykle cienka porowata membrana (o grubości 10 μm) umożliwia szybką dyfuzję cząsteczek i czasy równowagi, co symuluje środowisko in vivo i umożliwia niezależne funkcjonowanie komórkowe zarówno w domenie komórek wierzchołkowych, jak i podstawno-bocznych. Dodatkową zaletą użyteczności wkładu jako systemu TME jest jego fizyczne oddzielenie dwóch heterotypowych populacji komórek wyhodowanych po obu stronach błony w tych samych warunkach środowiskowych, przy zachowaniu różnych trybów komunikacji międzykomórkowej poprzez pory błony. Chociaż fizycznie oddzielone, obie populacje komórek są metabolicznie sprzężone za pomocą wydzielanych pierwiastków i, jak opisano tutaj, również przez kanały szczelinowo-połączeniowe. Dodatkowo, utrzymując wkładki na poziomie częściowego napięcia tlenu in vivo (PO2), model zmniejsza powikłania związane z gradientami tlenu i chemicznymi obserwowanymi w innych układach. Przeciwnie, zwiększa zrozumienie naturalnych mechanizmów kontrolujących TME. Warto zauważyć, że obie populacje komórek można łatwo wyizolować z wysoką czystością, bez znakowania fluorescencyjnego i/lub sortowania komórek po dłuższych okresach wspólnej hodowli.
Tutaj opisujemy protokół TME in vitro składający się z komórek ludzkiego raka piersi i ludzkich fibroblastów hodowanych, odpowiednio, po obu stronach przepuszczalnej mikroporowatej wkładki membranowej, ale jednak w ciągłej, dwukierunkowej komunikacji przez pory błony. Pokazujemy, że stosując błony o różnej wielkości porów, można badać udział określonego rodzaju komunikacji międzykomórkowej (np. czynników wydzielanych w porównaniu z połączeniami szczelinowymi) w rozwoju TME.