Poporodowy rozwój gruczołu sutkowego i morfogeneza przewodowa to procesy, na które duży wpływ ma sygnalizacja hormonalna na początku okresu dojrzewania. U myszy i szczurów, powszechnie stosowanych organizmów modelowych biologii gruczołów mlecznych, proces ten rozpoczyna się około 3 tygodnia życia, gdzie szybka proliferacja i różnicowanie prowadzą do powstania dojrzałego miąższu. Dojrzały gruczoł sutkowy może przechodzić liczne rundy ekspansji i inwolucji, co jest badane od początkuXX wieku. W kontekście hiperproliferacji i rozwoju nowotworów, techniki przeszczepu gruczołu sutkowego zostały opracowane w latach 19501 i ulepszone przez metodologię ilościową opracowaną przez Goulda i wsp. w 19772,3,4. Udoskonalenie techniki przeszczepiania u gryzoni przyczyniło się do znacznych postępów w zrozumieniu prawidłowej biologii gruczołu sutkowego, które są nadal szeroko stosowane do badania wpływu różnych metod leczenia i manipulacji genetycznych na prawidłowy rozwój gruczołu sutkowego i stany chorobowe.
Wiele hipotez zostało wygenerowanych, a następnie przetestowanych za pomocą przeszczepu gruczołu sutkowego, po raz pierwszy opisanych przez DeOme et al. w 1959 roku1. Eksperymenty przeprowadzone przez kilka dziesięcioleci wykazały skłonność tkanki przewodowej wyciętej z gruczołów sutkowych dawcy do ponownego zasiedlenia całej poduszeczki tłuszczowej5,6,7 i wskazały, że krytyczny składnik rozwoju gruczołu sutkowego znajduje się w tych strukturach nabłonkowych. Późniejsze badania na myszach wykazały, że pojedyncza komórka macierzysta sutka może ponownie zasiedlić oczyszczoną poduszeczkę tłuszczową i przyczyniły się do odkrycia pojedynczego, wspólnego przodka podstawowych i luminalnych komórek nabłonka sutka8,9,10. Zgodnie z tymi wnioskami zasugerowano, że przeszczep zwiększa pulę komórek z potencjałem do ponownego zasiedlenia wielu linii w wyniku plastyczności, umożliwiając przeszczepionym komórkom wyhodowanie funkcjonalnego gruczołu sutkowego7,10,11,12,13. Co ważne, zastosowanie technik transplantacji u gryzoni pozwala przezwyciężyć ograniczenia związane z nieprawidłowościami wywołanymi przez hodowlę komórkową14 i często zapewnia wyniki w ciągu zaledwie kilku tygodni.
Chociaż procedura była pierwotnie opisana w kontekście zmian przednowotworowych u myszy, wkrótce została rozszerzona na szczury i stosowana w połączeniu z leczeniem rakotwórczym, aby ustalić mnogość jako miarę podatności na raka15, ale popularność technik transplantacyjnych poszła w parze z rozwojem narzędzi genetycznych dla każdego gatunku. Chociaż badania na myszach obejmujące przeszczep przyczyniły się do wielu odkryć translacyjnych, miąższ gruczołu sutkowego szczura bardziej przypomina człowieka16,17 i oferuje wyraźne korzyści w badaniu raka piersi z dodatnim receptorem estrogenowym (ER+). Guzy sutka są indukowalne u obu gatunków, ale różnią się wrażliwością hormonalną i profilami ekspresji genów. Podstawowa różnica polega na tym, że guzy sutka u szczurów wyrażają się i zależą od funkcji receptorów hormonów jajnikowych i przysadkowych, a mianowicie estrogenu i progesteronu (PR), podobnie jak podtyp luminal-A ludzkiego raka piersi. Rzeczywiście, przeszczep komórek nabłonka sutka, opisany w tym protokole, został wykorzystany do badania wariantów genetycznych zaangażowanych w raka piersi i określenia autonomii komórkowej wpływu na komórki nabłonka sutka18.
Oprócz biologii guza, nabłonek przewodowy normalnego gruczołu sutkowego szczura wykazuje wyższy poziom rozgałęzienia i jest otoczony grubszą warstwą zrębu niż u myszy. Znaczenie zrębu jest dobrze udokumentowane w badaniach nad przeszczepem nabłonka sutka. Nabłonek sutka musi wchodzić w interakcje ze zrębem tłuszczowym, a najlepiej z własnym mezenchymem, aby przejść charakterystyczną dla siebie morfogenezę19,20. Wszczepienie tkanki do gruczołu sutkowego biorcy zapewnia optymalne środowisko; Jednak obecność endogennego nabłonka może zakłócać wyniki. Wstępne oczyszczanie gruczołu sutkowego z endogennego nabłonka jest powszechnie wykonywane w testach transplantacji myszy i wymaga chirurgicznego wycięcia endogennej tkanki sutka i/lub usunięcia sutka1,21,22. Chociaż jest to możliwe, wstępne oczyszczanie nabłonka sutka u szczurów po odsadzeniu nie jest tak szeroko wykonywane, głównie ze względu na nieskuteczność oczyszczania rosnącego drzewa sutkowego u szczurów po odsadzeniu. Ponieważ wykazano, że obszary tkanki tłuszczowej w innych częściach ciała mogą wspierać wzrost przeszczepionego nabłonka sutka21,23,24, procesu wstępnego oczyszczania można łatwo uniknąć u szczurów, przeszczepiając tkankę do białej poduszeczki tłuszczowej między łopatkami.
Metoda transplantacji opisana w tym artykule polega na wstrzyknięciu enzymatycznie zdysocjowanych organoidów gruczołu sutkowego (fragmenty nabłonka gruczołu sutkowego i innych typów komórek zdolnych do morfogenezy) lub komórek monorozproszonych do międzyłopatkowej poduszeczki tłuszczowej w wsobnych, izogenicznych lub kongenicznych szczepach szczurów laboratoryjnych2. Ponieważ poduszeczka tłuszczowa między łopatkami jest zwykle pozbawiona tkanki sutkowej, zapewnia odpowiednie środowisko dla wielu miejsc przeszczepu bez konieczności wstępnego oczyszczania endogennego nabłonka. W rezultacie endogenne brzuszno-pachwinowe gruczoły sutkowe zwierzęcia gospodarza nie podlegają manipulacjom chirurgicznym, rozwijają się normalnie i nie mogą zakłócać interpretacji wyników. Dodatkowo, nienaruszone gruczoły sutkowe mogą być wykorzystane do porównania w celu oceny wpływu gospodarza i dawcy na rozwój nabłonka sutka i nowotworzenie 18,25. Chociaż ponowne zasiedlenie gruczołu sutkowego z pojedynczej komórki macierzystej jest dostępne dla myszy, nie zostało jeszcze opracowane dla szczurów, głównie z powodu braku dostępności przeciwciał do selekcji komórek macierzystych sutka szczura25,26,27. Mimo to przeszczepienie monorozproszonych komórek nabłonka sutka w celu ilościowego określenia potencjału ponownego zasiedlenia może być z powodzeniem przeprowadzone, a komórki te będą się normalnie rozwijać po wszczepieniu do odpowiedniego schematu2,3,4. Podczas gdy organoidy są dobre do wielu celów, komórki monorozproszone są wymagane do zastosowań ilościowych, na przykład do określenia liczby komórek nabłonka sutka wymaganych do inicjacji raka po leczeniu promieniowaniem jonizującym28 lub do porównania charakterystyki populacji komórek nabłonka sutka wybranych cytometrycznie przepływowo29.
Do tej pory opisana tutaj procedura jest najbardziej solidną metodą przeszczepu gruczołu sutkowego u szczura, której ogólnym celem jest zbadanie rozwoju gruczołu sutkowego i mechanizmów leżących u podstaw rozwoju raka piersi. Często zwierzęta dawcy i/lub biorcy są narażone na różne zmienne przed, w trakcie lub po przeszczepieniu nabłonka. Przykłady obejmują badania pojedynczych genów obejmujące chemiczną kancerogenezę30, radiation28,31,32, manipulacja genetyczna genomu gospodarza/dawcy18 oraz manipulacja hormonalna12. Główną zaletą dysocjacji enzymatycznej opisanej w tym protokole jest możliwość wyizolowania organoidów nabłonkowych lub komórek monorozproszonych do uzupełniających eksperymentów obejmujących cytometrię przepływową, hodowlę 3D, edycję genów i inne. Przyszłe zastosowania tej techniki będą obejmowały dodatkową manipulację tkanką dawcy i/lub gospodarza za pomocą inżynierii genetycznej. Na przykład komórki dawcy mogą być genetycznie modyfikowane ex vivo w dowolnie wybranym locus genomowym przy użyciu systemu edycji genów CRISPR-Cas9. Podobnie, szczury biorcy mogą być również modyfikowane genetycznie w celu zbadania interakcji między czynnikami genetycznymi modyfikowanymi przez dawcę i biorcę.