Neste estudo, desenvolvemos um sistema de cultura celular para gerar esferoides 3D heteromulticelulares constituídos por células epiteliais e estromais com morfologia semelhante a organoides. Os esferoides foram estabelecidos por plaqueamento de 2.000 células epiteliais em condições de monocultura. Em condições de co-cultura de dois tipos de células, os esferoides foram estabelecidos por plaqueamento de 1.000 células epiteliais e 1.000 células estromais. Em condições de co-cultura de três tipos de células, os esferoides foram estabelecidos por plaqueamento de 1.000 células epiteliais e dois tipos diferentes de células estromais de 500 células de cada tipo de célula. A montante do estabelecimento do esferóide, as células podem ser coradas com corantes rastreadores de células fluorescentes que permitem monitorar a organização espacial celular. Após 24 h de formação inicial de esferoides, as aplicações a jusante incluem perturbações farmacológicas, imagens e coleta de amostras. A imagem de lapso de tempo é útil para avaliar mudanças no comportamento e morfologia do esferóide, incluindo área e circularidade (Figura 1A). 24 h após o reforço, os esferoides podem ser incorporados em um ambiente de andaime, e a imagem de lapso de tempo pode ser usada para avaliar o início de estruturas invasivas do esferóide (Figura 1B). A coleta de amostras de esferoides heteromulticelulares tem muitas aplicações, incluindo perfis genômicos e proteômicos nos níveis global e de célula única por meio de técnicas experimentais, como sequenciamento de RNA, sequenciamento de RNA de célula única, sequenciamento proteômico e imunofluorescência cíclica.

Figura 1: Representação esquemática do processo de cultura de células 3D e possíveis aplicações. (A) A suspensão celular de células epiteliais com células estromais não epiteliais é pipetada em placas de fixação ultrabaixa 3D para formar esferoides. Os esferoides são fotografados por microscopia de campo claro a cada 24 h durante 96 h. As linhagens celulares podem ser coradas com corantes rastreadores de células fluorescentes para microscopia de campo amplo a jusante antes de induzir a formação de esferóides ou podem ser perturbadas farmacologicamente após a formação de esferoides. Parâmetros esferóides como morfologia, área, circularidade e organização podem ser analisados. (B) Esferóides de células epiteliais e epiteliais com células estromais são formados usando o protocolo de A. Os esferoides foram estabelecidos por plaqueamento de 2.000 células epiteliais em condições de monocultura. Em condições de co-cultura de dois tipos de células, os esferoides foram estabelecidos por plaqueamento de 1.000 células epiteliais e 1.000 células estromais. Em condições de co-cultura de três tipos de células, os esferoides foram estabelecidos por plaqueamento de 1.000 células epiteliais e dois tipos diferentes de células estromais de 500 células de cada tipo de célula. Após 24 h, uma solução de extrato de membrana basal semelhante a um andaime é sobreposta e as imagens são capturadas em microscopia de campo claro a cada 24 h por 120 h. (C) Culturas 3D heteromulticelulares estabelecidas sem andaimes e baseadas em andaimes podem ser usadas para uma variedade de aplicações a jusante, como imunofluorescência cíclica, sequenciamento de RNA de célula única e proteômica de célula única. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os esferoides de monocultura MCF10A, MCF10Ca1h e BT-474 mantêm um fenótipo esférico compacto por até 96 h após o plaqueamento. Quando co-cultivados com células endoteliais microvasculares EA.hy926, fibroblastos BJ-5ta e / ou células semelhantes a monócitos THP-1, os esferoides desenvolveram protrusões celulares na periferia, que se tornaram mais pronunciadas em 96 h ( Figura 2A-C ). É importante ressaltar que essas saliências, fenômenos de brotamento e compactação dos esferoides representam variações da organização celular do esferóide cancerígeno e das células estromais co-cultivadas que se correlacionaram com a invasividade 3D após a adição de um hidrogel baseado em membrana basal como o Matrigel. A morfologia de brotamento variou de agregados de células sólidas a soltas, assemelhando-se à morfologia organoide. Em contraste, os esferóides de monocultura MDA-MB-468 apareceram como grandes agregados de células soltas. No entanto, quando as células MDA-MB-468 foram co-cultivadas com EA.hy926, BJ-5ta e / ou THP-1, elas formaram esferóides compactos ( Figura 2D ).

Figura 2: A gama de arquiteturas e morfologias adotadas por combinações de células estromais não epiteliais em combinação quando combinadas com células tumorais epiteliais / não tumorais em culturas 3D sem andaimes. Imagens representativas de campo claro de (A) MCF10A, (B) MCF10Ca1h, (C) BT-474, (D) esferóides MDA-MB-468 em monocultura ou em condições de co-cultura com fibroblastos estromais BJ-5ta / células endoteliais microvasculares Ea.hy926 ou células semelhantes a monócitos Ea.hy926 / THP-1 ou células BJ-5ta / THP-1 em 96 h. Cada esferóide foi formado pelo plaqueamento de 2.000 células. Esferoides em condições de monocultura foram formados usando 2.000 células epiteliais. Os esferoides em condições de co-cultura foram formados usando 1.000 células epiteliais e dois tipos diferentes de células estromais de 500 células. A formação de estruturas semelhantes a organoides agregadas ou brotamento foi iniciada em condições de co-cultura esferóide 24 h após o plaqueamento em células epiteliais MCF10A, MCF10Ca1h e BT-474. A compactação de células MDA-MB-468 foi observada em condições de co-cultura de esferóides 25 h após o plaqueamento. Barras de escala = 100 μm. Abreviatura: hpp = horas após o revestimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Às 72 h após o plaqueamento, as células MCF10A, MCF10Ca1h e BT-474 co-cultivadas com EA.hy926 e THP-1, ou com BJ-5ta e THP-1, exibiram um aumento significativo na área esferoide em comparação com os esferoides epiteliais em monocultura. MCF10Ca1h também mostrou um aumento significativo na área esferóide quando co-cultivado com EA.hy926 e BJ-5ta. O início de estruturas de brotamento em esferoides co-cultivados levou a uma diminuição significativa na circularidade dos esferóides para MCF10A, MCF10Ca1h e BT-474 co-cultivados com EA.hy926 e THP-1, ou com BJ-5ta e THP-1. Efeitos semelhantes foram observados para BT-474 co-cultivado com EA.hy926 e BJ-5ta ( Figura 3A, B ). Em contraste, as células MDA-MB-468 co-cultivadas com EA.hy926 e BJ-5ta, EA.hy926 e THP-1, ou BJ-5ta e THP-1, mostraram uma diminuição significativa na área esferóide em comparação com os esferoides MDA-MB-468 em monocultura; no entanto, não houve efeito na circularidade (Figura 3A, B).

Figura 3: Gráficos de análise de área e circularidade de culturas monocultivadas e heteromulticelulares estromais 3D livres de andaimes 72 h após o plaqueamento. (A) Área média (cm2) e (B) circularidade média de MCF10A, MCF10Ca1h, BT-474 e MDA-MB-468 em culturas esferoides estromais monocultivadas e heteromulticelulares 72 h após o plaqueamento. Os dados comunicados são representativos de, pelo menos, três réplicas biológicas independentes e são comunicados como médias técnicas de replicação ± SEM, salvo indicação em contrário. *, **, *** ou **** representam valores de p < 0,05, 0,01, 0,001 ou 0,0001, respectivamente, salvo indicação em contrário. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A aplicação de corante rastreador celular a células epiteliais tumorigênicas BT-474 e células estromais antes do estabelecimento do esferóide demonstrou que as células estromais, incluindo EA.hy926 e BJ-5ta, formaram as estruturas de brotamento no perímetro dos esferoides BT474 centrais (Figura 4, Vídeo Suplementar S1, Vídeo Suplementar S2, Vídeo Suplementar S3 e Vídeo Suplementar S4). Às 48 h após o plaqueamento, imagens individuais de fluorescência de campo amplo de esferoides co-cultivados com fibroblastos revelam que os esferoides de fibroblastos co-localizaram-se com células endoteliais, mas não co-localizaram com os esferoides BT-474. Uma minoria de células endoteliais também foi encontrada para co-localizar com esferoides BT-474 em condições de co-cultura. Isso sugere que o arranjo das células estromais dentro do esferóide está correlacionado com uma morfologia semelhante a um organoide.

Figura 4: Imagens estáticas de fluorescência de campo amplo de células estromais e BT-474 tingidas diferencialmente em culturas 3D heteromulticelulares 48 h após o plaqueamento. Os esferóides BT-474 são corados com corante fluorescente rastreador de células azul. Os fibroblastos BJ-5ta são corados com corante rastreador de células laranja, representado na cor vermelha. As células endoteliais Ea.hy926 são coradas com corante rastreador de glóbulos vermelhos profundos, representado na cor verde. Cada esferóide foi formado pelo plaqueamento de 2.000 células. Esferoides em condições de monocultura foram formados usando 2.000 células epiteliais. Esferoides em condições de co-cultura (BT-474 / BJ-5ta, BT-474 / Ea.hy926) foram formados usando 1.000 células epiteliais e 1.000 células estromais. Esferoides em condições de co-cultura dupla (BT-474 / BJ-5ta / Ea.hy926) foram formados usando 1.000 células epiteliais e 500 células de cada tipo de célula estromal. As figuras são representativas de pelo menos três réplicas biológicas. Barra de escala = 100 μm. Clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Para avaliar a relevância biológica de nosso modelo de esferóide organoide, os esferoides foram revestidos com solução de extrato de membrana basal 24 h após o plaqueamento. Os esferoides BT-474 em monocultura não apresentaram propriedades invasivas 120 h após o plaqueamento. No entanto, os esferoides BT-474 co-cultivados com BJ-5ta ou EA.hy926 desenvolveram estruturas na periferia do esferóide, que invadiram o ambiente da solução de extrato de membrana basal do andaime. O número e o comprimento dessas saliências foram significativamente aumentados em esferoides BT-474 co-cultivados com BJ-5ta e EA.hy926 por 48 h a 120 h após o plaqueamento (Figura 5, Vídeo Suplementar S5, Vídeo Suplementar S6, Vídeo Suplementar S7 e Vídeo Suplementar S8).

Figura 5: Imagens estáticas de campo claro de células BT-474 em culturas 3D heteromulticelulares com sobreposição de solução de extrato de membrana basal 5 dias após a sobreposição. Cada esferóide foi formado pelo plaqueamento de 2.000 células. A solução de extrato de membrana basal foi sobreposta sobre esferoides 24 h após o plaqueamento. Esferoides em condições de monocultura foram formados usando 2.000 células epiteliais. Esferoides em condições de co-cultura (BT-474/BJ-5ta e BT-474/Ea.hy926) foram formados usando 1.000 células epiteliais e 1.000 células estromais. Esferoides em condições de co-cultura dupla (BT-474 / BJ-5ta / Ea.hy926) foram formados usando 1.000 células epiteliais e 500 células de cada tipo de célula estromal. (A) Estruturas invasivas que se projetam do esferóide cancerígeno embutido na solução de extrato de membrana basal podem ser observadas em condições de co-cultura. (B) Qualificação da contagem de protrusão invasiva no tempo 48 hpp. (C) Qualificação do comprimento da protrusão invasiva no tempo 48 hpp. As figuras são representativas de pelo menos três réplicas biológicas. Barra de escala = 200 μm. Abreviatura: hpp = horas após o revestimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Vídeo Suplementar S1: Esferóide de monocultura BT-474 com corante azul rastreador de células. As células BT-474 (2.000) foram ressuspensas em uma microplaca de 96 poços de fixação ultrabaixa em forma de U para formar esferoides. Uma sobreposição de imagens de fluorescência de campo claro e campo amplo foi capturada ao longo de 48 h. Abreviatura: ULA = fixação ultrabaixa. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo Suplementar S2: Esferóides BT-474 co-cultivados com fibroblastos BJ-5ta. Os fibroblastos BT-474 (1.000) e 1.000 BJ-5ta foram ressuspensos em placas ULA para formar esferoides. As células BT-474 foram incubadas com corante azul rastreador celular e fibroblastos BJ-5ta com corante laranja rastreador celular. Uma sobreposição de imagens de fluorescência de campo claro e campo amplo (azul = BT-474, vermelho = BJ-5ta) foi capturada ao longo de 48 h. Abreviatura: ULA = fixação ultrabaixa. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo Suplementar S3: Esferoides BT-474 co-cultivados com células endoteliais Ea.hy926. As células endoteliais BT-474 (1.000) e 1.000 Ea.hy926 foram ressuspensas em placas ULA para formar esferoides. As células BT-474 foram incubadas com corante azul rastreador celular e células endoteliais Ea.hy926 com corante vermelho escuro rastreador celular. Uma sobreposição de imagens fluorescentes de campo claro e campo amplo (azul = BT-474, verde = Ea.hy926) foi capturada ao longo de 48 h. Abreviatura: ULA = fixação ultrabaixa. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo suplementar S4: Esferóides BT-474 co-cultivados com fibroblastos BJ-5ta e células endoteliais Ea.hy926. BT-474 (1.000), 500 fibroblastos BJ-5ta e 500 células endoteliais Ea.hy926 foram ressuspensas em placas ULA para formar esferoides. As células BT-474 foram incubadas com corante azul rastreador celular. Os fibroblastos BJ-5ta e as células endoteliais Ea.hy926 foram incubados com corante laranja rastreador celular e corante vermelho escuro, respectivamente. Uma sobreposição de imagens fluorescentes de campo claro e campo amplo (azul = BT-474, vermelho = BJ-5ta, verde = Ea.hy926) foi capturada ao longo de 48 h. Abreviatura: ULA = fixação ultrabaixa. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo Suplementar S5: Esferóide de monocultura BT-474 em solução de extrato de membrana basal. As células BT-474 (2.000) foram ressuspensas em placas ULA para formar esferoides, e os esferoides foram incorporados em uma solução de membrana basal 24 h após o plaqueamento. As imagens de campo claro foram tiradas ao longo de 60 h. Abreviatura: ULA = fixação ultrabaixa. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo suplementar S6: Esferóides BT-474 co-cultivados com fibroblastos BJ-5ta em solução de extrato de membrana basal. Os fibroblastos BT-474 (1.000) e 1.000 BJ-5ta foram ressuspensos em placas ULA para formar esferoides, e os esferoides foram incorporados em uma solução de extrato de membrana basal 24 h após o plaqueamento. As imagens de campo claro foram tiradas ao longo de 60 h. Abreviatura: ULA = fixação ultrabaixa. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo suplementar S7: Esferoides BT-474 co-cultivados com células endoteliais Ea.hy926 em solução de extrato de membrana basal. As células endoteliais BT-474 (1.000) e 1.000 Ea.hy926 foram ressuspensas em placas ULA para formar esferoides, e os esferoides foram incorporados em uma solução de extrato de membrana basal 24 h após o plaqueamento. As imagens de campo claro foram tiradas ao longo de 60 h. Abreviatura: ULA = fixação ultrabaixa. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo suplementar S8: Esferóides BT-474 co-cultivados com fibroblastos BJ-5ta e células endoteliais Ea.hy926 em solução de extrato de membrana basal. BT-474 (1.000), 500 fibroblastos BJ-5ta e 500 células endoteliais Ea.hy926 foram ressuspensas em placas ULA para formar esferoides, e os esferoides foram incorporados em uma solução de extrato de membrana basal 24 h após o plaqueamento. As imagens de campo claro foram tiradas ao longo de 60 h. Clique aqui para baixar este vídeo.