Uso de un modelo de cultivo 3D para células tumorales circulantes combinado con bioensayos moleculares en pacientes con cáncer HNSCC

Sorprendentemente, el cáncer, que causó 7,6 millones de muertes (alrededor del 13% de todas las muertes) en 2008, es una de las principales causas de muerte en todo el mundo, según datos estadísticos de la Organización Mundial de la Salud (OMS). La OMS también estima 12 millones de muertes por cáncer en todo el mundo en 2030. Más de 285.000 personas son diagnosticadas cada año con cáncer en el Reino Unido, y la estimación actual es que más de una de cada tres personas desarrollará algún tipo de cáncer en algún momento de su vida. En Taiwán, el cáncer es también una de las principales causas de muerte entre la población taiwanesa según los datos estadísticos del Departamento de Salud (Taiwán). El gasto asociado con la atención y la terapia del paciente con cáncer es elevado y supone una carga para la familia de los pacientes con cáncer. Por tanto, el cáncer no sólo supone una enorme amenaza para la vida humana, sino que también tiene un grave impacto social y para la salud nacional. La lucha contra el cáncer es, por tanto, una de las tareas prioritarias de la investigación biomédica. Cáncer es un término genérico para un gran grupo de enfermedades que pueden afectar a cualquier parte del cuerpo. Otros términos utilizados son tumores malignos y neoplasias. Una característica definitoria del cáncer es la rápida creación de células anormales que crecen más allá de sus límites habituales y que luego pueden invadir partes adyacentes del cuerpo y extenderse a otros órganos. Este proceso se conoce como metástasis. Un cáncer primario es una masa tumoral presente en el sitio de conversión inicial de una célula normal en una célula tumoral. Si todas las células permanecieran en el tumor primario, el cáncer tendría poca importancia clínica. El crecimiento del tumor produciría presión sobre el tejido circundante, pero la masa tumoral bien definida podría extirparse mediante cirugía de forma sencilla y permanente. Sin embargo, las células tumorales no siempre permanecen en el sitio primario sino que se alejan mediante uno de dos procesos: (a) invasión o el movimiento de células hacia el espacio vecino ocupado por otros tejidos; y (b) metástasis, la diseminación de células a áreas que no están directamente adyacentes al tumor primario, generalmente a través del torrente sanguíneo, el sistema linfático o el espacio corporal. La metástasis generalmente ocurre en varias etapas: (c) desprendimiento de células del tumor primario, (2) penetración y migración de células tumorales a vasos linfáticos o vasos sanguíneos, (3) alojamiento de células tumorales en vasos sanguíneos de órganos distantes, (d ) invasión de células tumorales a través de las paredes de los vasos y hacia el tejido de los sitios secundarios, (e) crecimiento de tumores secundarios en los sitios secundarios. La metástasis del cáncer es una de las principales causas de letalidad derivada del cáncer.

Las células tumorales circulantes (CTC) son especies de células raras presentes en la sangre periférica que se han documentado desde 1869. Es bien sabido que la presencia de CTC en el sistema circulatorio está asociada con metástasis del cáncer. Los estudios fundamentales de las CTC tienen un enorme potencial para investigar los conocimientos biológicos sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la metástasis del cáncer, la mutación genética relacionada con el cáncer[8] o el descubrimiento de biomarcadores, lo que podría facilitar y acelerar el desarrollo de nuevas soluciones terapéuticas para la atención del cáncer en el futuro. . Además, se cree que las CTC en la circulación sanguínea son las principales responsables de la progresión o recaída del cáncer y, por lo tanto, son objetivos obvios de la terapia contra el cáncer. Varios estudios emergentes han demostrado que las CTC pueden ser una biopsia de tumor en tiempo real que puede utilizarse en el desarrollo de nuevos fármacos y en la selección de regímenes terapéuticos, mediante los cuales se puede establecer la farmacodinámica o la respuesta clínica de las CTC a los tratamientos, respectivamente. Para esta última utilidad clínica, las respuestas de las CTC a la quimioterapia (p. ej. sensibilidad o resistencia a los medicamentos) no solo puede usarse para guiar la quimioterapia personalizada contra el cáncer, sino que también puede ser un indicador clínicamente importante para monitorear la eficacia terapéutica a largo plazo, la recurrencia de la enfermedad y el cambio de las características biológicas de las CTC en tiempo real y de manera no invasiva. . Esto puede proporcionar información predictiva para el ajuste del esquema terapéutico a lo largo de las etapas de la atención del cáncer. Sin embargo, hasta donde saben los investigadores, el uso de CTC ha sido limitado principalmente debido a su rareza con una concentración aproximada de 1 CTC por 105 -107 células mononucleares sanguíneas, y dicha naturaleza rara hace que sea difícil detectarlo y aislarlo. Además, la comprensión de los investigadores sobre sus propiedades biológicas o químico-físicas se ha visto limitada por la disponibilidad de tecnologías capaces de aislarlos en cantidades suficientes. La cantidad de CTC aisladas es demasiado baja para alcanzar los límites de muestra más bajos de muchos experimentos moleculares y funcionales detallados. Estos factores resultantes de las bajas tasas de recuperación ralentizan el uso clínico de las CTC. A pesar de las limitaciones de los métodos actuales de aislamiento de CTC, se han detectado células cancerosas circulantes en una gran mayoría de cánceres epiteliales, como los de mama, próstata, pulmón y colon. A los pacientes con lesiones metastásicas se les suele detectar CTC en la sangre; sin embargo, también se han informado en algunos cánceres localizados. Por lo tanto, para investigaciones más detalladas, las características de las CTC y el mecanismo de metástasis a distancia, el desarrollo de una tasa de recuperación alta y confiable con alta pureza de las CTC aisladas es actualmente lo más desafiante y crítico.

La medicina de precisión es una estrategia relativamente nueva para identificar la mejor terapia para la enfermedad de cada paciente, basada en la caracterización genómica del tumor de un individuo, y si bien este enfoque es tremendamente prometedor, los complejos perfiles genéticos y epigenéticos de las células tumorales individuales han hecho que este enfoque sea un desafío. . Otro enfoque para predecir la respuesta al tratamiento ha sido probar directamente células tumorales de pacientes en modelos bidimensionales (2D) establecidos en estudios de detección de fármacos. Estudios recientes realizados por Yoshii y sus colegas indicaron que las condiciones de cultivo tridimensionales (3D) pueden reflejar más las condiciones de crecimiento del tumor in vivo que los cultivos celulares 2D. Para explorar esto, previamente establecimos modelos de cultivo 3D para HNSCC y los comparamos con cultivos 2D y modelos de tumores in vivo.

Los xenoinjertos derivados de pacientes (PDX) se han utilizado ampliamente en estudios de detección de fármacos para superar las limitaciones de los estudios de detección 2D. Sin embargo, los modelos PDX también tienen algunas limitaciones; incluyendo bajas tasas de injerto de cáncer en ratones desnudos, diferencias sorprendentes en la farmacocinética entre dos humanos y ratones, y el largo tiempo requerido para los estudios de detección de fármacos (de 4 a 8 meses) en PDX. Recientemente, se han utilizado modelos de cultivo celular en 3D para estudios de detección de fármacos y análisis de biomarcadores. El establecimiento de líneas celulares a partir de cultivos 2D de tumores derivados del tejido del paciente tiene una baja tasa de éxito, y solo células tumorales seleccionadas pueden sobrevivir en el entorno 2D, lo que puede reflejarse en una heterogeneidad tumoral alterada con respecto al tumor original. Además, es bien sabido que el cultivo a largo plazo puede seleccionar alteraciones genéticas. Dado que la mayoría de los modelos de cultivo 3D derivados de líneas celulares 2D establecidas no mantienen el fenotipo tumoral original, el desarrollo de cultivos organoides cancerosos 3D directamente a partir del tejido canceroso de un paciente, que incluye células madre cancerosas, puede recapitular mejor el carácter del tumor del paciente que los derivados de células previamente pasadas como cultivos 2D. Aunque existen métodos publicados para generar organoides cancerosos en varios tipos de cáncer, no se ha intentado el establecimiento de organoides cancerosos HNSCC. Por lo tanto, los investigadores estaban interesados ​​en desarrollar un modelo organoide de cáncer HNSCC, caracterizar sus propiedades y compararlas con las características del original.

El método de los esferoides originados en tejidos cancerosos (CTOS) es una técnica para establecer líneas de organoides cancerosos informada por Kondo et al. que mostró una tasa altamente establecida en cáncer de colon, cáncer de pulmón y cáncer de vejiga. En este método, las líneas celulares obtenidas se cultivan y mantienen como organoides. Los organoides tienen la capacidad de mantener las mismas características histológicas de los tumores originales. Además, la población de células madre cancerosas es muy similar entre el tumor original y las líneas de organoides, lo que indica que el método CTOS puede recapitular el carácter del tumor original. En esta propuesta, los investigadores intentan evaluar la viabilidad del establecimiento y caracterización de organoides HNSCC y la utilidad de estas líneas celulares como modelo para la detección y prueba de fármacos.