Трехмерная система остановит раковые метастазы

Каждый день в человеческом теле создается около 100 миллиардов новых клеток. Эти клетки соединяют триллионы старых клеток, чтобы сформировать ткани и органы, на которых мы полагаемся, чтобы остаться в живых.

Иногда, когда создается клетка, в ее ДНК происходит мутация, которая превращает клетку в нечто дефектное и потенциально опасное для внутренней среды организма. Обычно клетка распознает свои собственные дефекты и быстро прекращает свое существование.

Но иногда вместо того, чтобы удалять себя, мутированная клетка реплицирует, образуя опухоль, которая может разделиться, метастазировать (то есть мигрировать) и вторгаться в другие части тела, часто через кровоток. Профессор Университета Карнеги Меллона Филипп Ледук в сотрудничестве с доктором Джеймс Ли Ван и Карол Нойманн, исследователями рака молочной железы из Университета Питтсбурга, разработали ориентированную на пациента модель, которые они могут использовать, чтобы лучше понять и в конечном итоге остановить миграцию клеток рака.

Согласно Ледук, этот проект начался из-за растущего интереса исследователей, проявленного в отношениях между физической наукой и раком. Поскольку опухоли представляют собой физические массы, как биохимические, так и физические средства могут влиять на раковые клетки и опухоли. Изучив связь между этими двумя темами, ученые обратили внимание на метастазы и анализ раковых клеток. Благодаря их сотрудничеству они смогли разработать более точный способ изучения раковых клеток.

Хотя анализ клеток традиционно происходит в пластиковой чашке Петри, исследовательская группа создала трехмерную модель, которая более точно отражает физиологические условия организма. С помощью этой модели ученые могут выявить и проанализировать сложности раковых клеток в среде, которая более точно имитирует организм человека.

«Биология изучалась путем размещения клеток внутри чашек Петри на протяжении десятилетий», — говорит Ледук. «Но вопрос в том, можете ли вы сделать системы более физиологически релевантными? Мы используем микрофлюидные и микрофибрационные подходы для создания трехмерных систем, потому что клетки существуют в трехмерных тканях — они, естественно, не находятся в двумерной чашке Петри».

Как правило, микрофлюидные системы, которые переносят жидкости на микроскопическом уровне, сделаны из пластика, но поскольку исследователи искали более физиологически значимую систему, они создали свою микрожидкостную систему, используя коллаген, наиболее преобладающий белок в теле человека.

«Как сказал Фил, мы традиционно выращиваем клетки в пластике и работаем с ними в чашках Петри», — говорит Нойманн, адъюнкт-профессор фармакологии и химической биологии в Университете Питтсбурга. «Но нигде в вашем теле нет пластика. Наличие трехмерной системы, которая имитирует физиологические условия, — это гораздо лучший способ получить более быстрые и более релевантные результаты».

Каждое микрожидкостное устройство, созданное командой, содержит два ключевых компонента: набор параллельных каналов, имитирующих традиционные кровеносные сосуды и концентрацию раковых клеток, которые встроены в коллаген.

Как только устройство сконструировано, каналам вводят химический стимулятор, который диффундирует в окружающий коллаген. Поскольку молекулы из стимулятора перемещаются дальше от каналов, создается биомолекулярный градиент. Этот градиент подсказывает, что внедренные раковые клетки перемещаются — часто назад к имитируемым каналам кровеносных сосудов.

У пациента, если раковые клетки попадают в кровоток, они метастазируют и могут образовывать вторичные опухоли рака. Согласно мнению ученых, большинство пациентов с раковыми опухолями обычно умирают от метастазов, а не от первичной опухоли, поэтому ученые должны выяснить, как остановить метастазы в первую очередь.

Метастазирующие раковые клетки приобрели способность перемещаться из первичной опухоли в кровь или лимфатическую систему — процесс, который требует, чтобы раковые клетки мигрировали и реконструировали опухолевую ткань, чтобы вторгнуться в другие части тела. Итак, чтобы остановить метастазы, ученые должны понять, какие факторы поддерживают мобильность раковых клеток и ремоделирование тканей. Именно поэтому трехмерная система, разработанная учеными, так важна.

«Рак — это чрезвычайно гетерогенное заболевание, а это означает, что раковые клетки не только отличаются от пациента к пациенту, они меняются даже в пределах одной опухоли», — говорит Нейман. «То же самое относится и к метастазам. В зависимости от их местоположения в организме каждая дополнительная вторичная опухоль различна».

Чтобы определить наилучшее лечение для каждого пациента, ученые считают, что в конечном итоге смогут использовать свою систему для исследования опухолей у отдельных больных раком. Этот процесс в конечном итоге поможет сделать лечение рака более персонализированным и эффективным.

В идеале, трехмерная система, разработанная командой ученых, предоставит исследователям и врачам инструменты, необходимые им для того, чтобы остановить раковые клетки от метастазирования у каждого пациента.

Больше информации: «Mimicking Embedded Vasculature Structure for 3D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling,» Scientific Reports Volume 7, Article number: 16724 (2017) DOI: 10.1038/s41598-017-16458-3