$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Biologia nowotworów jest o wiele bardziej skomplikowana, niż wcześniej sądzono. Coraz więcej dowodów pokazuje, że komórki nowotworowe to coś więcej niż zwykła masa niekontrolowanych rozchodzących się komórek; Wydaje się raczej, że różne komórki nowotworowe pełnią różne funkcje, wykazując wysoką organizację i hierarchię w obrębie nowotworu1. Komórki nowotworowe są również w ścisłej komunikacji z komórkami nieprzekształconymi: makrofagi, fibroblasty, limfocyty, adipocyty, komórki śródbłonka i inne komórki są zanurzone w białkach rusztowania i polisacharydach, które tworzą ECM. Między przekształconymi i nieprzekształconymi komórkami oraz z ECM ustanawiane są liczne bezpośrednie i pośrednie interakcje, które wywierają silny wpływ na wynik choroby2,3. W konkretnym przypadku BrC szczególnie ważne jest przeanalizowanie komunikacji komórek BrC z TAM, biorąc pod uwagę, że stwierdzono, że TAM odgrywają kluczową rolę w ewolucji guza, zwiększając ryzyko przerzutów i nawrotu choroby4,5.
Aby przeanalizować interakcje wewnątrznowotworowe i ich możliwe wyniki, opracowano nowe podejścia 3D in vitro oparte na użyciu ekstraktów ECM, które zapewniają znacznie bardziej złożone mikrośrodowisko, bliższe rzeczywistości biologii nowotworu, w porównaniu do konwencjonalnych jednowarstwowych hodowli komórkowych, w których komórki rosną przyczepione do plastiku. Petersen i Bissell6 dostarczyli pierwszy model niezłośliwych i złośliwych komórek nabłonka sutka hodowanych na błonie podstawnej bogatej w lamininę i jako pierwsi opisali struktury organotypowe 3D, które odróżniają niezłośliwe ludzkie komórki nabłonkowe piersi od ich złośliwych odpowiedników. Dziesięć lat później model opracowany przez Debnatha, Muthuswamy'ego i Brugge7,8,9 dostarczył cennego narzędzia do wyjaśnienia szlaków biologicznych naruszonych podczas złośliwej transformacji gruczołów acini, takich jak powstawanie dużych acini w wyniku niekontrolowanej proliferacji, delokalizacja białek połączeń ścisłych jako dowód upośledzonej polaryzacji komórek oraz utrata światła acini w wyniku oporności komórek do anoikis, rodzaju zaprogramowanej śmierci komórki, która zachodzi w komórkach zależnych od zakotwiczenia, gdy odłączają się od otaczającego ECM. Modele Sameni, Jedeszko i Sloane skupiły się na obrazowaniu aktywności proteolitycznej komórek, która jest ściśle związana z inwazyjnością, kolejną kluczową cechą nowotworu złośliwego10,11,12. Modele te opierają się na matrycach białkowych zmieszanych z różnymi substratami białkowymi wygaszanymi fluorescencją (DQ-żelatyna, DQ-kolagen I i DQ-kolagen IV), w których sygnały fluorescencyjne wskazują na proteolityczną degradację kolagenu. Modele 3D są również wykorzystywane do badania właściwości komórek macierzystych zarówno komórek nietransformowanych, jak i nowotworowych, w których agregaty komórkowe, zwane również sferoidami, mogą być hodowane w zawiesinie lub w białkach podobnych do ECM, badając mechanizmy różnicowania komórek, asymetryczny podział komórek, przyleganie między komórkami i ruchliwość komórek13,14. Testy inwazji umożliwiają badanie wewnętrznej agresywności guza i identyfikację cząsteczek, które służą jako chemoatraktanty podczas procesu inwazyjnego15. Ogólnie rzecz biorąc, modele 3D stanowią przystępną cenowo dywersyfikację hodowli komórkowych in vitro, która lepiej odzwierciedla normalną i onkogenną morfogenezę tkanek.
Zaprojektowaliśmy system 3D do wspólnej hodowli komórek oparty na wyżej wymienionych modelach7,10,11, używając zarówno ludzkich komercyjnych linii komórkowych BrC o znanym potencjale agresywnym (typy luminalne i potrójnie ujemne), jak i komórek pierwotnych eksplantowanych od pacjentów z BrC. Najpierw opracowaliśmy model, w którym nieagresywne (MCF-7) lub agresywne (MDA-MB-231) komórki BrC były hodowane wspólnie z monocytami U937 w systemie 3D opartym na ekstrakcie macierzy zewnątrzkomórkowej (ECME), który umożliwiał bezpośrednie interakcje komórka-komórka. Te kokultury wykorzystano do określenia, w jaki sposób komunikacja między tymi dwiema liniami komórkowymi wpłynęła na transkrypcję zestawu genów związanych z agresywnym zachowaniem raka. Zaobserwowano znaczny wzrost transkryptu cyklooksygenazy-2 (COX-2), który zbiegł się ze zwiększoną produkcją jednego z jej produktów, prostaglandyny E2 (PGE2), co podkreśliło rolę stanu zapalnego w progresji raka. Zaobserwowano również zwiększoną transkrypcję MMP, która korelowała z większą proteolizą kolagenu, gdy agresywne komórki MDA-MB-231 były hodowane wspólnie z monocytami U937 w kulturach zawierających DQ-Collagen IV. Warto zauważyć, że nasze kohodowle nie potwierdziły założenia, że mechanizmy interakcji komórka-komórka są potrzebne do degradacji kolagenu. Sugerowało to raczej, że komunikacja między dwiema liniami komórkowymi była pośredniczona przez wydzielane cząsteczki. Co więcej, supernatanty zebrane z tych testów kokulturowych zawierały rozpuszczalne czynniki, które deorganizowały ziarniaki gruczołowe utworzone przez nieprzekształcone komórki MCF-10A13. Stwierdzono, że agresywne i pierwotne komórki BrC wydzielały podwyższony poziom cząsteczek chemotaktycznych monocytów MCP-1, GM-CSF i RANTES. W związku z tym nakreśliliśmy hodowlę 3D, w której komórki zostały oddzielone we wkładkach do hodowli komórkowych, aby zapobiec interakcjom komórka-komórka. Kultury te wykorzystano do rozwiązania problemu pośredniej komunikacji między komórkami BrC a monocytami. Do tych testów wykorzystano nieagresywne i agresywne komercyjne linie komórkowe BrC i pierwotne komórki BrC oraz trzy różne typy ludzkich monocytów: komercyjne komórki U937 i THP-1 oraz pierwotne monocyty (PM) wyizolowane z krwi obwodowej zdrowych dawców (wszystkie monocyty były używane w stanie nieaktywowanym). Zaobserwowano, że zwiększone stężenia cytokin zapalnych IL-1β i IL-8 są wzbogacone w kokulturze. Podobnie stwierdzono, że MMP-1, MMP-2 i MMP-10 były również zwiększone w kokulturach komórek BrC i monocytów, wzmacniając w ten sposób wcześniejsze ustalenia14. W niniejszym manuskrypcie przedstawiono przebieg procesu izolacji i testowania pierwotnych komórek BrC w kulturach 3D punkt po punkcie wraz z reprezentatywnymi wynikami. Praca ta stanowi dobry przykład ogromnego potencjału, jaki dają systemy komórkowe 3D in vitro do badania określonych aspektów biologii nowotworu.