Brug af en 3D-kulturmodel til cirkulerende tumorceller kombineret med molekylære bioassays hos patienter med HNSCC-kræft

Påfaldende nok, der tegner sig for 7,6 millioner dødsfald (omkring 13 % af alle dødsfald) i 2008, er kræft en førende dødsårsag på verdensplan, ifølge statistiske data fra Verdenssundhedsorganisationen (WHO). WHO anslår også 12 millioner kræftdødsfald på verdensplan i 2030. Mere end 285.000 mennesker hvert år bliver diagnosticeret med kræft i Storbritannien, og det nuværende skøn er, at mere end hver tredje person vil udvikle en form for kræft på et tidspunkt i deres liv. I Taiwan er kræft også en af ​​de vigtigste dødsårsager i den taiwanske befolkning ifølge statistiske data fra Department of Health (Taiwan). Udgifterne forbundet med kræftpatienter og terapi er høje og er en byrde for familien af ​​kræftpatienter. Kræft er derfor ikke kun en enorm trussel mod menneskeliv, men har også en alvorlig social indvirkning og national sundhed. Bekæmpelse af kræft er derfor en af ​​de prioriterede opgaver i biomedicinsk forskning. Kræft er en fællesbetegnelse for en stor gruppe af sygdomme, der kan påvirke enhver del af kroppen. Andre anvendte udtryk er ondartede tumorer og neoplasmer. Et afgørende træk ved kræft er den hurtige skabelse af unormale celler, der vokser ud over deres sædvanlige grænser, og som derefter kan invadere tilstødende dele af kroppen og sprede sig til andre organer. Denne proces kaldes metastase. En primær cancer er en tumormasse, der er til stede på stedet for initial omdannelse af en normal celle til en tumorcelle. Hvis alle celler forblev i den primære tumor, ville kræft være af ringe klinisk betydning. Vækst af tumoren ville producere pres på omgivende væv, men den veldefinerede tumormasse kunne udskæres ved kirurgi på en ligetil og permanent måde. Ikke desto mindre forbliver tumorceller ikke altid på det primære sted, men bevæger sig væk ved en af ​​to processer: (a) invasion eller bevægelse af celler ind i det tilstødende rum optaget af andet væv; og (b) metastase, spredning af celler til områder, der ikke støder direkte op til den primære tumor, sædvanligvis via blodbanen, lymfesystemet eller gennem kropsrummet. Metastase forekommer generelt i flere stadier: (c) løsrivelse af celler fra den primære tumor, (2) penetration og migration af tumorceller ind i lymfekar eller blodkar, (3) fastsættelse af tumorceller i blodkar i fjerne organer, (d ) invasion af tumorceller gennem karvæggene og ind i vævet på sekundære steder, (e) vækst af sekundære tumorer på de sekundære steder. Kræftmetastaser er en førende årsag til kræftafledt dødelighed.

Cirkulerende tumorceller (CTC'er) er de sjældne cellearter, der er til stede i det perifere blod, som er blevet dokumenteret siden 1869. Det er velkendt, at tilstedeværelsen af ​​CTC'er i kredsløbssystemet er forbundet med cancermetastaser. De grundlæggende undersøgelser af CTC'er rummer et enormt potentiale for at undersøge den biologiske indsigt i de molekylære mekanismer, der ligger til grund for kræftmetastaser, kræftrelateret genmutation[8] eller biomarkøropdagelse, hvilket både kan lette og fremskynde videnskabsmænd i at udvikle nye terapeutiske løsninger til fremtidig kræftbehandling . Derudover menes CTC'erne i blodcirkulationen hovedsageligt at være ansvarlige for cancerprogression eller -tilbagefald og er derfor oplagte mål for cancerterapi. Adskillige nye undersøgelser har vist, at CTC'er kan være en real-time tumorbiopsi, der kan bruges i udvikling af nye lægemidler, og udvælgelsen af ​​terapeutiske regimer, hvorved henholdsvis farmakodynamikken eller den kliniske respons af CTC'er på behandlingerne kan etableres. Til sidstnævnte kliniske anvendelighed kan CTC'ers respons på kemoterapi (f. lægemiddelfølsomhed eller -resistens) kan ikke kun bruges til at vejlede den personlige kræftkemoterapi, men kan også være en klinisk vigtig indikator til overvågning af langsigtet terapeutisk effekt, sygdomstilbagefald og ændringen af ​​biologiske karakteristika af CTC'er på en realtid og ikke-invasiv måde . Dette kan give prædiktiv information til justering af terapeutisk skema gennem stadier af kræftbehandling. Så vidt efterforskerne ved, er brugen af ​​CTC'er imidlertid blevet begrænset hovedsageligt på grund af dets sjældenhed med en omtrentlig koncentration på 1 CTC pr. 105-107 mononukleære blodceller, og en sådan sjældenhed gør det vanskeligt både at opdage og isolere. Desuden er efterforskernes forståelse af deres biologiske eller kemisk-fysiske egenskaber blevet begrænset af tilgængeligheden af ​​teknologier, der er i stand til at isolere dem i tilstrækkeligt antal. Mængden af ​​isolerede CTC'er er for lav til at nå de laveste prøvegrænser for mange detaljerede molekylære og funktionelle eksperimenter. Disse faktorer som følge af lave restitutionsrater forsinker den kliniske brug af CTC'er. På trods af begrænsningerne ved nuværende CTC-isoleringsmetoder er cirkulerende cancerceller blevet påvist i langt de fleste epitelkræftformer, såsom bryst-, prostata-, lunge- og tyktarmskræft. Patienter med metastatiske læsioner har en tendens til at have CTC'er påvist i deres blod; disse er dog også blevet rapporteret i nogle lokaliserede kræftformer. Derfor, for yderligere detaljerede undersøgelser, karakteristika for CTC'er og mekanisme for fjernmetastase, er udvikling af en pålidelig, høj genopretningshastighed med høj renhed af isolerede CTC'er i øjeblikket mest udfordrende og kritisk.

Præcisionsmedicin er en relativt ny strategi til at identificere den bedste behandling for hver patients sygdom, baseret på den genomiske karakterisering af et individs tumor, og selvom denne tilgang har et enormt løfte, har de komplekse genetiske og epigenetiske profiler af individuelle tumorceller gjort denne tilgang udfordrende. . En anden tilgang til at forudsige behandlingsrespons har været direkte at teste tumorceller fra patienter i etablerede todimensionelle (2D) modeller i lægemiddelscreeningsstudier. Nylige undersøgelser af Yoshii og kolleger viste, at tredimensionelle (3D) kulturbetingelser kan være mere reflekterende af tumor in vivo vækstbetingelser end 2D cellekulturer. For at udforske dette har vi tidligere etableret en 3D-kulturmodeller for HNSCC og sammenlignet med 2D-kulturer og in vivo-tumormodeller.

Patientafledte xenografter (PDX'er) er blevet brugt i vid udstrækning til lægemiddelscreeningsundersøgelser for at overvinde begrænsningerne ved 2D-screeningsundersøgelser. PDX-modeller har dog også nogle begrænsninger; herunder lave indpodningsrater for kræft i nøgne mus, slående forskelle i farmakokinetik mellem to mennesker og mus og den lange tid, der kræves til lægemiddelscreening (4-8 måneder) undersøgelser i PDX'er. For nylig er 3D-cellekulturmodeller blevet brugt til lægemiddelscreeningsundersøgelser og biomarkøranalyse. Etablering af cellelinjer fra 2D-kulturer af tumorer afledt af patientvæv har en lav succesrate, og kun udvalgte tumorceller kan overleve i 2D-miljøet, hvilket kan afspejles i en ændret tumorheterogenitet fra den oprindelige tumor. Desuden er det velkendt, at langtidskultur kan selektere for genetiske ændringer. Da de fleste 3D-kulturmodeller afledt af etablerede 2D-cellelinjer ikke opretholder den oprindelige tumorfænotype, kan udvikling af 3D-kræftorganoide kulturer direkte fra en patients cancervæv, som omfatter cancerstamceller, bedre rekapitulere karakteren af ​​patientens tumor end dem, der stammer fra celler tidligere passeret som 2D-kulturer. Selvom der er offentliggjorte metoder til at generere cancerorganoider i forskellige cancertyper, er etablering af HNSCC cancerorganoider ikke blevet forsøgt. Derfor var efterforskerne interesserede i at udvikle en HNSCC-kræftorganoid model og karakterisere dens egenskaber og sammenligne dem med originalens egenskaber.

Cancer Tissue-Originated Spheroids (CTOS) metoden er en teknik til at etablere cancerorganoide linjer rapporteret af Kondo et al. som viste højt etableret rate i tyktarmskræft, lungekræft og blærekræft. I denne metode dyrkes de opnåede cellelinjer og vedligeholdes som organoider. Organoider har evnerne til at opretholde de samme histologiske træk som de oprindelige tumorer. Derudover er populationen af ​​cancerstamceller meget ens mellem den oprindelige tumor- og organoid-linjer, hvilket indikerer, at CTOS-metoden kan rekapitulere karakteren af ​​den oprindelige tumor. I dette forslag forsøger efterforskere at evaluere gennemførligheden af ​​etablering og karakterisering af HNSCC-organoider og anvendeligheden af ​​disse cellelinjer som en model for lægemiddelscreening og -testning.