Estabelecendo um Modelo Fisiológico de Microtumor Vascularizado Humano para Pesquisa em Câncer
15 de setembro de 2023
Este protocolo apresenta um modelo tumor-on-a-chip fisiologicamente relevante para realizar pesquisa básica e translacional de câncer humano de alto rendimento, rastreamento avançado de drogas, modelagem de doenças e abordagens de medicina personalizada com uma descrição de procedimentos de carregamento, manutenção e avaliação.
Nossa plataforma tumor-on-a-chip foi desenvolvida para modelar fisiologicamente o crescimento de microtumores vascularizados humanos e nos permite responder a perguntas básicas e translacionais de pesquisa. Perguntas que se concentram na biologia básica do tumor, eficácia de drogas, responsividade tumoral, processos imunológicos subjacentes, potencial intervenção imunoterapêutica e abordagens terapêuticas personalizadas. Traduzir efetivamente as descobertas pré-clínicas em tratamentos potentes contra o câncer depende de replicar fielmente o estado da doença e os sistemas modelo.
Este protocolo descreve o estabelecimento do microtumor vascularizado, ou VMT, para mimetizar o microambiente tumoral in vitro. O VMT reproduz fielmente os principais aspectos de um tumor humano, produzindo achados clinicamente relevantes. Nosso modelo nos permite realizar pesquisas translacionais fisiologicamente relevantes sobre o câncer humano.
Especificamente, nosso protocolo, em contraste com outros modelos, incorpora condições de fluxo dinâmico, permite a integração de células imunes e imunoterapia, e ainda nos permite a incorporação de abordagens de medicina personalizada. Estamos empregando o modelo VMT para impulsionar iniciativas de medicina personalizada em arenas pré-clínicas e clínicas. Esse modelo aprofunda nossa compreensão dos fatores microambientais nas interações célula-célula, influenciando a resistência terapêutica e a progressão do câncer.
Além disso, o VMT se mostra promissor na descoberta de tratamentos personalizados específicos para o paciente para melhorar o atendimento clínico.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo detalhado para o estabelecimento de uma plataforma de microtumor vascularizado (VMT) ou tumor-em-um-chip que imita de perto o microambiente tumoral humano in vitro. O sistema VMT integra múltiplos tipos celulares humanos sob condições dinâmicas de fluxo dentro de um dispositivo microfluídico, permitindo o estudo da biologia tumoral, eficácia de fármacos, interações imunológicas e abordagens de medicina personalizada em um contexto fisiologicamente relevante.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Biologia do câncer
- Modelagem do microambiente tumoral
- Engenharia de tecidos
- Microssistemas
Contexto
- Modelos tradicionais de câncer in vitro frequentemente não conseguem replicar a complexidade do microambiente tumoral.
- Uma pesquisa pré-clínica eficaz e o desenvolvimento terapêutico exigem modelos que incorporem vascularização e barreiras fisiológicas.
- A plataforma VMT supera essas limitações ao formar redes vasculares de novo e sustentar o crescimento tumoral sob condições de fluxo.
- A integração de células imunes e capacidades de imagem de alta resolução permitem estudos avançados das interações tumor-imunes e da metástase.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver e validar um sistema microfisiológico que recapitule o microambiente tumoral humano in vitro.
- Viabilizar pesquisas translacionais em biologia tumoral, resposta a medicamentos e imunoterapia.
- Facilitar a medicina personalizada adaptando a plataforma para células derivadas de pacientes e tratamentos personalizados.
Métodos Utilizados
- Preparação de suspensões celulares e componentes da matriz extracelular (fibrinogênio, trombina, laminina).
- Carregamento de misturas célula-matriz em placas microfluídicas esterilizadas por UV e polimerização do gel.
- Estabelecimento de fluxo dinâmico e perfusão de meio através dos microcanais.
- Imagem microscópica para monitorar a formação da rede vascular, distribuição celular e ensaios funcionais (por exemplo, perfusão de dextrano-FITC).
- Perfusão de células cancerígenas e células imunes (por exemplo, células T) para estudar extravasamento e interações célula-célula.
Resultados Principais
- As células endoteliais formaram redes vasculares contínuas e perfundidas em quatro dias, confirmado pela mínima vazão de dextrano-FITC.
- Células cancerígenas perfundidas no sistema aderiram ao endotélio e extravasaram, formando micrometástases em 24 horas.
- A microscopia com lapso de tempo demonstrou adesão rápida de linfócitos T e extravasamento para o microambiente tumoral.
- O modelo VMT manteve a heterogeneidade tumoral, assinaturas de expressão gênica e perfis de resposta a fármacos semelhantes aos tumores in vivo.
Conclusões
- A plataforma VMT fornece um modelo robusto e fisiologicamente relevante para o estudo da biologia tumoral humana e das respostas terapêuticas.
- Ela permite a investigação da dinâmica das células imunes, das barreiras à entrega de fármacos e das estratégias de tratamento personalizadas.
- Essa abordagem impulsiona a pesquisa básica e translacional em câncer ao preencher a lacuna entre modelos tradicionais in vitro e a realidade clínica.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Modelos de tumores fisiologicamente relevantes continuam sendo um gargalo crítico para a descoberta preditiva de fármacos em oncologia e pesquisas translacionais. A plataforma de microtumores vascularizados (VMT) permite a recapitulação de alta fidelidade do microambiente tumoral humano, apoiando a avaliação robusta da entrega de fármacos, infiltração de células imunes e resposta terapêutica. Este sistema aumenta a confiança preditiva no ponto de inflexão pré-clínico, impactando diretamente a triagem de portfólios e iniciativas de medicina personalizada.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação da biologia tumoral e dos mecanismos microambientais que influenciam a resistência terapêutica.
- Apoia a validação funcional de alvos dentro de um contexto vascularizado e relevante para humanos.
- Facilita a redução de riscos mecanicistas ao modelar interações entre imunidade, tumor e estroma.
- Aprimora a confiança preditiva para avançar alvos candidatos nas etapas de triagem.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaio
- Oferece uma plataforma padronizada e reproduzível para ensaios quantitativos de eficácia de fármacos e extravasamento de células imunes.
- Permite imagens de alta resolução e visualização direta do comportamento de compostos e células em um microambiente perfundido.
- Permite a escalabilidade do ensaio e a reutilização da plataforma em diversos tipos tumorais e amostras derivadas de pacientes.
- Fornece leituras fisiologicamente relevantes para a priorização de compostos e estudos mecanicistas.
Pesquisa Translacional e Pré-Clinica
- Alinha-se à heterogeneidade tumoral humana relevante para a doença e às assinaturas de expressão gênica.
- Permite continuidade do descobrimento até a validação pré-clínica utilizando células primárias de pacientes.
- Apoia a descoberta de biomarcadores translacionais e a avaliação de estratégias terapêuticas personalizadas.
- Reduz o risco translacional ao modelar barreiras à entrega de fármacos semelhantes ao in vivo e respostas imunes.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
A plataforma VMT integra a descoberta inicial, a identificação de compostos promissores e a pesquisa translacional ao fornecer um sistema fisiologicamente relevante e escalonável para testes de hipóteses e avaliação de fármacos.
- Biologia da Descoberta: Modela interações entre tumor, sistema imunológico e estroma para esclarecer dependências de vias e mecanismos de resistência.
- Triagem: Fornece resultados quantitativos reprodutíveis para ensaios de fármacos e células imunes sob condições de fluxo dinâmico.
- Análises: Permite imagem de alto conteúdo e medição quantitativa de extravasamento, metástase e resposta terapêutica.
- Pesquisa Translacional: Apoia o alinhamento de biomarcadores e a medicina personalizada ao acomodar células primárias derivadas de pacientes.
- Reutilização Empresarial: Adaptável a diferentes tipos de tumores e programas de pesquisa, favorecendo a padronização da plataforma e a comparabilidade entre projetos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na pesquisa oncológica.
- Valor Operacional: Padroniza a modelagem complexa de tumores e permite fluxos de trabalho reproduzíveis e escaláveis.
- Valor Estratégico: Melhora a qualidade das decisões de prosseguimento ou interrupção e a eficiência do capital ao reduzir os riscos dos candidatos em estágios iniciais.
- Impacto na Carteira: Apoia a priorização e o avanço ajustados ao risco de ativos com potencial translacional validado.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em microfluídica, engenharia de tecidos e imagem avançada.
- Exige acesso a instrumentação especializada para manipulação de dispositivos microfluídicos e imagem de células vivas.
- Necessita padronização entre equipes quanto à origem das células, condições de co-cultivo e protocolos analíticos.
- Adaptável a uma variedade de tipos tumorais e amostras primárias de pacientes mediante otimização do protocolo.
- As limitações práticas incluem restrições na produtividade e a necessidade de validação rigorosa de novas fontes celulares.
