Создание физиологической васкуляризированной модели микроопухоли человека для исследования рака
15 сентября 2023 г.
Этот протокол представляет собой физиологически релевантную модель опухоли на чипе для выполнения высокопроизводительных фундаментальных и трансляционных исследований рака человека, продвижения скрининга лекарств, моделирования заболеваний и персонализированной медицины с описанием процедур загрузки, поддержания и оценки.
Наша платформа «опухоль на чипе» была разработана для физиологического моделирования роста васкуляризированных микроопухолей человека и позволяет нам отвечать как на фундаментальные, так и на трансляционные исследовательские вопросы. Вопросы, которые сосредоточены на базовой биологии опухоли, эффективности лекарств, реакции опухоли, основных иммунологических процессах, потенциальном иммунотерапевтическом вмешательстве и подходах к персонализированной терапии. Эффективное преобразование доклинических открытий в эффективные методы лечения рака зависит от точного воспроизведения состояния заболевания и модельных систем.
Этот протокол описывает создание васкуляризированной микроопухоли, или VMT, для имитации микроокружения опухоли in vitro. VMT точно воспроизводит ключевые аспекты опухоли человека, получая клинически значимые результаты. Наша модель позволяет нам проводить физиологически значимые, трансляционные исследования рака человека.
В частности, наш протокол, в отличие от других моделей, включает в себя условия динамического потока, обеспечивает интеграцию иммунных клеток и иммунотерапии, а также позволяет нам внедрять подходы персонализированной медицины. Мы используем модель VMT для продвижения инициатив в области персонализированной медицины как в доклинической, так и в клинической областях. Эта модель углубляет наше понимание факторов микроокружения в межклеточных взаимодействиях, влияющих на терапевтическую резистентность и прогрессирование рака.
Кроме того, VMT показывает многообещающие результаты в поиске индивидуальных методов лечения для конкретного пациента для улучшения клинического ухода.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен подробный протокол создания платформы васкуляризированной микроопухоли (VMT) или «опухоли на чипе», которая в условиях in vitro максимально точно имитирует микроокружение опухоли человека. Система VMT объединяет несколько типов человеческих клеток в условиях динамического потока внутри микрофлюидного устройства, что позволяет изучать биологию опухоли, эффективность лекарственных препаратов, иммунные взаимодействия и подходы персонализированной медицины в физиологически релевантном контексте.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биология рака
- Моделирование микроокружения опухоли
- Тканевая инженерия
- Микрофлюидика
Теоретическая часть
- Традиционные модели рака in vitro часто не позволяют воспроизвести сложность микроокружения опухоли.
- Для эффективных доклинических исследований и разработки терапевтических методов требуются модели, учитывающие васкуляризацию и физиологические барьеры.
- Платформа VMT решает эти проблемы за счет формирования сосудистых сетей de novo и поддержки роста опухоли в условиях потока.
- Интеграция иммунных клеток и возможности визуализации с высоким разрешением позволяют проводить углубленные исследования взаимодействий между опухолью и иммунной системой, а также процессов метастазирования.
Цель исследования
- Разработать и валидировать микрофизиологическую систему, которая воспроизводит микроокружение опухоли человека in vitro.
- Обеспечить возможность проведения трансляционных исследований биологии опухолей, ответа на лекарственную терапию и иммунотерапии.
- Способствовать развитию персонализированной медицины путем адаптации платформы для использования клеток пациентов и индивидуального подбора лечения.
Используемые методы
- Подготовка клеточных суспензий и компонентов внеклеточного матрикса (фибриногена, тромбина, ламинина).
- Загрузка смесей клеток и матрикса в стерилизованные УФ-излучением микрофлюидные планшеты и полимеризация геля.
- Создание динамического потока и перфузия среды через микроканалы.
- Микроскопическая визуализация для мониторинга формирования сосудистой сети, распределения клеток и проведение функциональных анализов (например, перфузия FITC-декстраном).
- Перфузия раковых и иммунных клеток (например, T-клеток) для изучения экстравазации и межклеточных взаимодействий.
Основные результаты
- Эндотелиальные клетки сформировали непрерывные перфузируемые сосудистые сети в течение четырех дней, что подтвердилось минимальной утечкой FITC-декстрана.
- Раковые клетки, перфузируемые в систему, прикреплялись к эндотелию и экстравазировали, образуя микрометастазы в течение 24 часов.
- Таймлапс-визуализация продемонстрировала быструю адгезию T-клеток и их экстравазацию в микроокружение опухоли.
- Модель VMT сохраняла гетерогенность опухоли, профили экспрессии генов и ответ на лекарственные препараты, аналогичные опухолям in vivo.
Выводы
- Платформа VMT предоставляет надежную, физиологически релевантную модель для изучения биологии опухолей человека и ответов на терапию.
- Она позволяет исследовать динамику иммунных клеток, барьеры при доставке лекарственных средств и стратегии персонализированного лечения.
- Данный подход способствует развитию как фундаментальных, так и трансляционных исследований рака, сокращая разрыв между традиционными моделями in vitro и клинической реальностью.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Физиологически релевантные модели опухолей остаются критическим узким местом для прогностического поиска онкологических препаратов и трансляционных исследований. Платформа васкуляризированных микроопухолей (VMT) обеспечивает высокоточное воспроизведение микроокружения опухоли человека, что позволяет проводить надежную оценку доставки лекарств, инфильтрации иммунных клеток и терапевтического ответа. Эта система повышает прогностическую достоверность на доклиническом этапе, оказывая прямое влияние на отбор перспективных препаратов в портфеле и инициативы в области персонализированной медицины.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать биологию опухоли и механизмы микроокружения, влияющие на терапевтическую резистентность.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней в контексте васкуляризированной ткани человека.
- Способствует снижению механистических рисков за счет моделирования взаимодействий между опухолью, иммунными клетками и стромой.
- Повышает прогностическую достоверность при отборе кандидатных мишеней для включения в конвейеры скрининга.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированную, воспроизводимую платформу для количественного анализа эффективности препаратов и экстравазации иммунных клеток.
- Позволяет проводить визуализацию с высоким разрешением и напрямую наблюдать за поведением соединений и клеток в перфузируемой микросреде.
- Поддерживает масштабируемость анализа и повторное использование платформы для различных типов опухолей и образцов, полученных от пациентов.
- Предоставляет физиологически релевантные показатели для приоритезации соединений и проведения механистических исследований.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует гетерогенности опухолей человека и профилям экспрессии генов, имеющим значение для заболевания.
- Обеспечивает непрерывность процесса от этапа поиска до доклинической валидации с использованием первичных клеток пациентов.
- Способствует поиску трансляционных биомаркеров и оценке стратегий персонализированной терапии.
- Снижает трансляционный риск за счет моделирования барьеров доставки лекарств и иммунных ответов, приближенных к условиям in vivo.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Платформа VMT объединяет этапы раннего поиска, идентификации ведущих соединений и трансляционных исследований, предоставляя физиологически релевантную масштабируемую систему для проверки гипотез и оценки лекарственных препаратов.
- Биология открытий: Моделирует взаимодействия опухоли с иммунными и стромальными клетками для выяснения зависимостей путей и механизмов резистентности.
- Скрининг: Обеспечивает воспроизводимые количественные результаты анализа лекарственных препаратов и иммунных клеток в условиях динамического потока.
- Аналитика: Позволяет проводить высококонтентную визуализацию и количественное измерение экстравазации, метастазирования и терапевтического ответа.
- Трансляционные исследования: Поддерживает согласование биомаркеров и персонализированную медицину за счет возможности использования первичных клеток, полученных от пациентов.
- Корпоративное повторное использование: Адаптируема для различных типов опухолей и исследовательских программ, что способствует стандартизации платформы и сопоставимости данных между проектами.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает точность прогнозирования и снижает механистическую неопределенность в онкологических исследованиях.
- Операционная ценность: стандартизирует сложное моделирование опухолей и обеспечивает воспроизводимые, масштабируемые рабочие процессы.
- Стратегическая ценность: улучшает качество принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и повышает эффективность использования капитала за счет снижения рисков на ранних стадиях разработки кандидатов.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритизацию с учетом рисков и продвижение активов с подтвержденным трансляционным потенциалом.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области микрофлюидики, тканевой инженерии и передовых методов визуализации.
- Необходим доступ к специализированному оборудованию для работы с микрофлюидными устройствами и визуализации живых клеток.
- Требуется межкомандная стандартизация источников клеток, условий совместного культивирования и аналитических протоколов.
- Метод может быть адаптирован для различных типов опухолей и первичных образцов пациентов путем оптимизации протокола.
- Практические ограничения включают ограниченную пропускную способность и необходимость тщательной валидации новых источников клеток.
Часто задаваемые вопросы о биофармацевтике
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:41
Preparing a Vascularized Micro‐Tumor System Using Human Cells for Studying Tumors and Drug Responses
3:34
Introducing Human Cells intoa Microfluidic Device to Investigate Tumor Progression in a Vascularized Micro‐Tumor System
