Для фундаментальных исследований и тестирования противораковых лекарств ученые выращивают многоклеточные 3D-модели опухолей. Среди возможных трехмерных форм, наиболее простой и широко используемой является модель сфероида, в которой клетки опухоли образуют сферу. Биофизики Московского физико-технического института (МФТИ) сравнили свойства сфероидов, полученных разными методами, и выяснили, какие из них наиболее подходят для тестирования противораковых лекарств.
Многоклеточные 3D-модели опухолей становятся популярным инструментом для тестирования новых лекарственных препаратов и персонализированной противоопухолевой терапии. Кроме того, их используют и для фундаментальных исследований: изучают сигнальные каскады (передачу сигнала) в раковых клетках, процессы метаболической адаптации опухолевых клеток, а также «молекулярный диалог» между раковыми клетками с другими типами клеток, например с иммунными.
Среди различных многоклеточных in vitro («в пробирке») моделей опухолей сфероиды — наиболее простые и широко используемые 3D-культуры клеток. Они представляют собой тканеподобные многоклеточные агрегаты шаровидной формы, состоящие из делящихся и неделящихся клеток. Сфероиды более точно воспроизводят микроокружение опухоли, чем обычные монослойные (2D) культуры клеток. В своем новом исследовании ученые сравнивали сфероиды, выращенные разными способами: без каркаса и на его основе.
Обычно сфероиды выращивают в объеме, где клетки не могут прикрепиться к поверхности. В лаборатории специальных клеточных технологий МФТИ разработали новый метод выращивания сфероидов на биополимерных каркасах в виде 3D-сети, состоящей из белков-компонентов внеклеточного матрикса. Это межклеточное вещество находится непосредственно в тканях, с которыми клетки взаимодействуют.
Биофизики МФТИ решили посмотреть, в какой мере свойства сфероидов зависят от способа их получения. Для этого исследователи взяли клеточную линию немелкоклеточного рака легкого и вырастили из ее клеток сфероиды разными методами. Затем ученые провели прямое сравнение чувствительности к лекарственным средствам и профиля молекулярной экспрессии в сфероидах разных типов, а также в монослойной клеточной культуре. Сфероиды, выращенные на каркасе, оказались заметно более резистентны к лекарствам.
«Мы обнаружили, что сфероиды, выращенные на биополимерных каркасах, более устойчивы к лекарствам. Разница оказалась существенной. Мы исследовали причины такой живучести и выяснили, что сфероиды, полученные с помощью биополимерных каркасов, характеризуются более высокой плотностью и содержанием внеклеточного матрикса», — рассказывает заместитель заведующего лабораторией специальных клеточных технологий МФТИ Михаил Дурыманов.
Связано это с тем, что внеклеточный матрикс представляет собой существенный барьер для всасывания лекарств в клетки опухоли и сфероиды. Кроме того, раковые клетки взаимодействуют с компонентами внеклеточного матрикса с помощью специальных интегриновых рецепторов. Когда эти рецепторы связываются с белками внеклеточного матрикса, они проводят в клетку сигнал, увеличивающий ее жизнеспособность. Чем больше клетка формирует контактов с матриксом, тем сложнее ее убить. Это также одна из причин более высокой устойчивости к лекарствам.
Опухоли немелкоклеточного рака легкого, как правило, производят большое количество внутриклеточного матрикса. Соответственно, сфероиды, выращенные на полимерных каркасах, оказываются более достоверной моделью подобных опухолей.
Кроме того, в сфероидах на каркасах наблюдался более высокий уровень нехватки кислорода, что является важной характеристикой опухолей. Низкое содержание кислорода запускает сигнальные каскады, которые приводят к увеличению экспрессии белков, повышающих лекарственную устойчивость. Также гипоксия ведет к увеличению секреции раковыми клетками цитокина интерлейкина 6, который, взаимодействуя с рецепторами на поверхности клеток, увеличивает их жизнеспособность в стрессовых условиях.
Таким образом, сфероиды, выращенные на биополимерных каркасах, оказались более релевантной моделью легочных опухолей.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты опубликованы в одном из международных журналов.