Как сообщается в Cell Reports, команда Института биологической инженерии Висса во главе с директором-основателем и преподавателем Wyss Core Дональдом Ингбером теперь использовала свою технологию человеческих органов на кристалле, чтобы противостоять этой проблеме. В предыдущей работе команда успешно смоделировала две различные области легкого — воздухопроводящие небольшие дыхательные пути и альвеолы, обменивающие кислород и углекислый газ на концах малых дыхательных путей — в микрожидкостных устройствах, созданных с помощью методов производства микрочипов. . Различные клетки легких населяют один из двух микроканалов, которые проходят параллельно через чип, отделенные тонкой пористой мембраной от микрососудов, выстланных эндотелием легких человека во втором канале.
Как и в легком человека, образующийся в результате небольшой эпителий дыхательных путей толще, жестче и покрыт движущимися ресничками, тогда как более тонкий альвеолярный эпителий более проницаем, чтобы обеспечить эффективный газообмен, и он подвергается циклическим механическим деформациям, имитирующим дыхательные движения в чипе. Исследователи непрерывно пропускают среду для культивирования клеток через сосудистый канал, чтобы поддерживать слои эпителиальных и эндотелиальных клеток в течение многих недель, как это происходит с кровотоком в живом легком. Помимо создания на чипах базовой структуры ткани и функций этих двух областей легких, команда ранее показала, что они могут успешно моделировать заболевания легких, включая хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ), астму и отек легких.
В этом новом исследовании команда разработала модели ортотопического рака легких человека с использованием этих двух легочных чипов. Примерно 85% всех случаев рака легких диагностируется как немелкоклеточный рак легкого (НМРЛ), и команда сосредоточила внимание на аденокарциноме этого рака, на долю которого приходится примерно 40% всех НМРЛ.
Известно, что в организме человека клетки аденокарциномы NSCLC возникают на границе между небольшими дыхательными путями легких человека и альвеолами. Но тогда опухоль в основном растет в альвеолярных структурах.Команда Ингбера показала, что когда клетки аденокарциномы НМРЛ выращиваются в дыхательных путях легких и альвеолах, опухолевые клетки стремительно растут в микросреде альвеол, разработанной микропроцессорами, тогда как они остаются неподвижными в чипе дыхательных путей, как это наблюдается у пациентов. «Наши платформы« рак легкого на чипе »могут моделировать центральные аспекты ортотопического НМРЛ в режиме реального времени и с высоким разрешением, и гораздо точнее, чем другие подходы in vivo и in vitro.
Они предлагают буквальное представление о биологических сложностях опухоли», — сказал он. Ингбер, MD, Ph.D.
Ингбер также является профессором биологии сосудов HMS и программы биологии сосудов в Бостонской детской больнице Джуды Фолкман, а также профессором биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS).Для этого исследователи разработали стратегии совместного покрытия и инъекции, которые позволили им стабильно интегрировать небольшое количество клеток NSCLC в два легочных чипа. «Этот подход позволяет нам воссоздать ключевые признаки этого рака, в том числе его рост и паттерны инвазии, и определить, как на них влияют сигналы от окружающих нормальных клеток.
В чипах рака дыхательных путей раковые клетки остаются бездействующими до 12 дней, прежде чем они начали расти, в то время как в альвеолярных онкологических чипах они начинают свой рост намного быстрее, и как только они достигают критической массы, они отделяются друг от друга и вторгаются в эндотелий как часть своего метастатического процесса », — сказал первый автор Брайан Хасселл, доктор философии. ., который, будучи аспирантом SEAS в команде Ингбера, разработал платформу «рак легкого на чипе».Затем команда спросила, могут ли физиологические дыхательные движения в альвеолах влиять на поведение раковых клеток. Неожиданно они обнаружили, что, когда к эпителиальному каналу легкого прилагаются циклические механические силы, имитирующие дыхательные движения, рост и инвазия раковых клеток сильно подавляются. «Это первый случай, когда явное влияние циклических дыхательных движений на рост и инвазию раковых клеток было продемонстрировано в любой системе in vitro, моделирующей поведение NCSLC», — сказал Хасселл.
Исследователи считают, что когда клетки рака легких растут и заполняют альвеолы ??легких пациентов, это мешает их естественным движениям, что, в свою очередь, может ускорить рост опухоли и способствовать инвазивному поведению.Наконец, они сделали еще один шаг вперед в своем подходе, изучив, может ли механика дыхания влиять на чувствительность клеток NSCLC к клинически используемому противораковому препарату, известному как ингибитор тирозинкиназы (TKI).
TKI нацелены на часто мутирующие ферменты, такие как так называемый рецептор эпидермального фактора роста (EGFR), который вызывает беспрепятственный рост NSCLC и других видов рака. Поскольку TKI раннего поколения могут потерять свою эффективность, когда раковые клетки становятся устойчивыми к ним, производя новые варианты EGFR, исследователи рака пытаются разработать еще более умные TKI. Тем не менее, постоянно изменяющиеся раковые клетки учатся справляться даже с ними, генетически перестраивая себя так, чтобы они могли активировать альтернативные механизмы рака.Важно отметить, что команда Ингбера обнаружила, что в чипе альвеолярного рака клетки NSCLC, которые уже устойчивы к TKI первого поколения, все еще могут быть остановлены без остановки с помощью TKI третьего поколения в отсутствие дыхательных движений, что может произойти. внутри больших опухолей, которые заполняют альвеолы ??легких и останавливают их движение.
Однако в режиме дыхания они становятся невосприимчивыми к лекарству и продолжают выживать и медленно расти, по сути создавая раковые «стойкие» клетки, которые, как известно, являются заклятым врагом противораковой терапии.Исследователи также заметили, что уровни цитокинов, белков, участвующих в межклеточной коммуникации, которые продуцируются эпителиальными и эндотелиальными клетками, а также раковыми клетками и, как известно, являются важными прогностическими индикаторами НМРЛ, отражают рост рака в раковом чипе альвеол и являются модулируется дыхательными движениями и медикаментозным лечением. «Влияние дыхательных движений на поведение раковых клеток в наших моделях может объяснить, как опухолевые клетки, оставшиеся от уменьшающейся опухоли после терапии, могут стать стойкими клетками, способными противостоять лекарственной терапии, задерживаться и в конечном итоге вызывать рецидив рака.
Наш ортотопический Таким образом, платформа in vitro может хорошо подходить для анализа того, как возникают эти клетки-персистеры, и они могут быть полезным инструментом в будущих усилиях по разработке лекарств, направленных на их искоренение », — сказал Ингбер.