Плохой прогноз рака поджелудочной железы связан с целым рядом причин, среди которых отсутствие легко обнаруживаемых биомаркеров, что приводит к позднему выявлению. Еще одной важной причиной является толстая строма, окружающая ткань, что приводит к снижению кровоснабжения. Отложение большого количества внеклеточного матрикса (ВКМ), межклеточное взаимодействие, эндотелиальные клетки, различные иммунные клетки, перициты, пролиферирующие миофибробласты и популяция фибробластов, а также присутствие неопухолевых клеток (вместе составляющих десмопластическую реакцию)1 составляют толстую строму, которая отвечает за химио- и радиотерапевтическую резистентность PDAC2. Рак и стромальные клетки имеют сложное, динамическое и двунаправленное взаимодействие. Хотя некоторые элементы либо ослабляют, либо ускоряют прогрессирование заболевания, большинство процессов являются адаптивными во время развития опухоли1. Это обеспечивает среду, богатую факторами роста, проангиогенными факторами, протеазами и молекулами адгезии. Эти факторы способствуют ангиогенезу, пролиферации клеток, метастазированию и инвазии 3,4. Вместе они являются иммунным и привилегированным убежищем для опухоли, что приводит к лекарственной устойчивости.
Десмоплазия представляет собой сложную смесь, состоящую из различных белков ECM, а также иммунных клеток и звездчатых клеток поджелудочной железы (PSC). Вместе они, как правило, образуют каркас для роста клеток. ПСК являются одним из самых крупных компонентов стромального компартмента5. Их способность продуцировать ферменты, такие как матриксные металлопротеина (MMP), тканевые ингибиторы матриксных металлопротеиназ (TIMP) и ассоциированные с раком фибробласты (CAF)6, подразумевает, что они, вероятно, играют решающую роль в развитии десмопластической реакции. ВКМ, ассоциированные с раком фибробласты (CAF) и сосудистая сеть являются основными аспектами PDAC. Среди КАФ предполагается, что миофибробласты и воспалительные КАФ участвуют в активных перекрестных помехах, ответственных за проопухолевые свойства7. Чем обширнее фибробластические образования на опухоли, тем хуже прогноз 8,9,10.
Монослойная клеточная культура с помощью установленных клеточных линий продолжает оставаться полезным инструментом для анализа токсичности лекарств и является хорошей отправной точкой для доказательства концепции и научных исследований. Однако в установленных линиях клеточных культур отсутствует зародышевая ДНК и клиническая близость11. Поскольку они выращиваются на плоских поверхностях, они подвергаются другим критериям отбора in vitro по сравнению с тем, когда они являются частью опухоли, ненормально делятся и теряют свой дифференцированный фенотип12. В целом, одноклеточные культуры ограничивают гетерогенность опухоли и, следовательно, теряют клиническую значимость. Они не могут точно представить сложность микроокружения опухоли (например, ВКМ). 3D-культура может более точно воспроизводить сложное микроокружение опухоли.
3D-культура была введена в 1970-х годах для здоровых клеток и их неопластических аналогов13. Для изучения морфологии и архитектуры злокачественных тканей с помощью сфероидовбыло использовано несколько методов. Кокультуры со стромальными клетками могут моделировать сигналы ТМЭ. Повышение уровня маркеров ЭМП наблюдалось при совместном культивировании клеток со звездчатыми клетками15. Сфероиды PDAC и их взаимодействие со стромой могут быть смоделированы путем совместного культивирования с компонентами ECM. Сообщалось, что совместное культивирование конкретно с ПСК дает клинически значимые данные о цитотоксичности препарата 16,17,18. ПСК также способствуют лекарственной устойчивости, уклоняясь от апоптоза и стимулируя пролиферацию раковых клеток с помощью различных паракринных факторов19 и индуцируя переход ЭМП. Таким образом, становится критически важным включать ПСК с ранней стадии в критерии, используемые для оценки успешности лекарства или системы его доставки. Способность ПСХ усиливать пролиферацию и поддерживать более быстрый рост в комбинации, по сравнению с только раковыми клетками поджелудочной железы, также была замечена in vivo при оценке подкожных фланговых инъекций двух клеточных линий у мышейс ослабленным иммунитетом.
Способность типа клеток взаимодействовать с компонентами ECM также имеет решающее значение при выращивании сфероидов с совместным культивированием. Сообщалось, что BxPC-3 и PANC-1 имеют одинаковое сродство в связывании с коллагеном. Эти две клеточные линии также эквивалентно связываются с ламинином, хотя были сообщения, что BxPC-3 лучше связывается 21,22,23,24,25. С точки зрения миграции, Stahle et al.26 продемонстрировали в 5 раз более высокую подвижность клеток PANC-1 по сравнению с BxPC-3. Также сообщалось, что клетки PANC-1 мигрируют в основном в виде одиночных клеток, в то время как клетки BxPC-3 мигрируют в виде плотно упакованного листа. Выбор клеток также влияет на размер опухоли25. Было показано, что опухоли BxPC-3 в27,28 раза больше, чем опухоли, полученные из PANC-1, в то время как одно исследование продемонстрировало противоположный случай29. Несмотря на различия в размерах и подвижности, обе клетки, как сообщается, нуждаются в длительных латентных периодах для образования опухолей у мышей. Эта продолжительность может быть особенно длительной для BxPC-3 и составлять от 4 недель до 4 месяцев25 месяцев. Тем не менее, есть также литература, в которой говорится, что BxPC-328 или BxPC-3 раковые стволовые клетки30 формируют видимые опухоли быстрее, что подразумевает, что могут наблюдаться вариации в продолжительности роста опухоли. Таким образом, указанные здесь сроки должны служить только начальным ориентиром для темпов роста опухоли.
Клетки BxPC-3 образуют сфероиды со свободными клетками на поверхности и плотными ядрами, в то время как клетки PANC-1, как сообщается, образуют как пористые, но прочные сфероиды31 , так и компактные сфероиды. Также сообщалось, что клетки PANC-1 менее дифференцированы и более агрессивны32. Сохраняя во главу угла агрессивную природу32 в сочетании с более высокой подвижностью клеток PANC-1, способностью образовывать компактные сфероиды и способностью взаимодействовать с компонентами ВКМ, клетки PANC-1 были выбраны для исследования сфероидов.
В последние несколько лет сфероидальная культура добилась больших успехов в демонстрации преимущества в своей клинической значимости по сравнению с двумерными (2D) культурами. Его актуальность была использована для использования этого метода в качестве замены исследованиям на животных и для лучшего понимания биологии опухолей. Клиническая значимость сфероидов, особенно при совместном культивировании с ПСХ, позволила использовать их для изучения различных функций сфероида, таких как жесткость33, экспрессия TGF-β 34,35,36,37,38, E-кадгерин, F-актин 18,34,36,37, α-SMA 34,35,37,38, лактатдегидрогеназа (ЛДГА)32, HIF-1α35,39, лекарственная устойчивость 16,37,40, миграция клеток 41, клеточная инвазия37, фиброз35, радиационная резистентность42, фенотипические изменения18, гетерогенность36, клеточные уровни взаимодействий 39 и демонстрируют компоненты ВКМ37,38,39. Многие из протоколов, которые использовались для получения описанных данных, основаны на Matrigel, методе подвесных капель, печатных формах или других каркасах для поддержки роста сфероидов и ECM. Исследования также обычно включают использование либо фибробластических клеток, отличных от человека, либо свежевыделенных звездчатых клеток пациентов. В то время как использование звездчатых клеток имеет решающее значение для того, чтобы опухоли напоминали условия in vivo, вариабельность между пациентами, связанная со свежими экстракциями, затрудняет повторение этих исследований.
Этот протокол направлен на демонстрацию модели, которая проста в разработке, воспроизводима, клинически значима и свободна от строительных лесов, тем самым полагаясь исключительно на способности сокультур естественно генерировать ECM. Для этого был выбран простой метод совместного культивирования с использованием смеси клеток PANC-1 (из-за их естественной склонности мигрировать в виде одиночных клеток) вместе со звездчатыми клетками поджелудочной железы человека (HPaSteC) из-за их способности вести себя как стволовые клетки и быть высокоустойчивыми к лекарствам. Используя исследования Durymanov et al.38в качестве исходного уровня, протокол, подробно описанный ниже, был разработан после дальнейшей оптимизации таких параметров, как соотношения клеток и продолжительность между сменами среды. Сфероиды, полученные в результате применения этого протокола, могут быть использованы в качестве модельной системы для оценки новых лекарственных препаратов-кандидатов40.
Кроме того, для пользователей, не знакомых с культурой сфероидов, может быть полезна работа Peirsman et al.43, посвященная развитию базы знаний MISpheroID. Он устанавливает некоторые минимальные рекомендации по информации, которые могут помочь справиться с неоднородностью между лабораторными протоколами. Хотя и с некоторыми ограничениями, работа показала, что выбор питательных сред, клеточных линий, метода формирования сфероидов и конечного размера сфероида имеет решающее значение для определения фенотипических свойств сфероидов.