Bruke en 3D-kulturmodell for sirkulerende tumorceller kombinert med molekylære bioassays hos pasienter med HNSCC-kreft

Påfallende nok, som står for 7,6 millioner dødsfall (rundt 13 % av alle dødsfall) i 2008, er kreft en ledende dødsårsak på verdensbasis, ifølge statistiske data fra Verdens helseorganisasjon (WHO). WHO anslår også 12 millioner kreftdødsfall på verdensbasis i 2030. Mer enn 285 000 mennesker hvert år blir diagnostisert med kreft i Storbritannia, og det nåværende anslaget er at mer enn én av tre mennesker vil utvikle en form for kreft på et tidspunkt i livet. I Taiwan er kreft også en av de viktigste dødsårsakene i den taiwanske befolkningen ifølge statistiske data fra Department of Health (Taiwan). Utgiftene forbundet med kreftpasientbehandling og terapi er høye, og er en belastning for familien til kreftpasienter. Derfor er kreft ikke bare en stor trussel for menneskeliv, men har også en alvorlig sosial innvirkning og nasjonal helse. Bekjempelse av kreft er derfor en av de prioriterte oppgavene i biomedisinsk forskning. Kreft er en fellesbetegnelse for en stor gruppe sykdommer som kan ramme alle deler av kroppen. Andre begreper som brukes er ondartede svulster og neoplasmer. Et kjennetegn ved kreft er den raske dannelsen av unormale celler som vokser utover deres vanlige grenser, og som deretter kan invadere tilstøtende deler av kroppen og spre seg til andre organer. Denne prosessen omtales som metastase. En primær kreft er en svulstmasse som er tilstede på stedet for den første konverteringen av en normal celle til en svulstcelle. Hvis alle cellene forble i primærtumoren, ville kreft være av liten klinisk betydning. Vekst av svulsten ville gi trykk på omkringliggende vev, men den veldefinerte svulstmassen kunne fjernes ved kirurgi på en enkel og permanent måte. Ikke desto mindre forblir ikke svulstceller alltid på det primære stedet, men beveger seg bort ved en av to prosesser: (a) invasjon eller bevegelse av celler inn i naborom okkupert av andre vev; og (b) metastase, spredning av celler til områder som ikke er direkte ved siden av den primære svulsten, vanligvis via blodbanen, lymfesystemet eller gjennom kroppsrommet. Metastase forekommer vanligvis i flere stadier: (c) løsgjøring av celler fra primærsvulsten, (2) penetrering og migrering av tumorceller inn i lymfekar eller blodkar, (3) fastsetting av tumorceller i blodårer i fjerne organer, (d ) invasjon av tumorceller gjennom karveggene og inn i vevet til sekundære steder, (e) vekst av sekundære svulster på sekundære steder. Kreftmetastaser er en ledende årsak til kreftavledet dødelighet.

Sirkulerende tumorceller (CTC) er de sjeldne celleartene som finnes i det perifere blodet som har blitt dokumentert siden 1869. Det er velkjent at tilstedeværelsen av CTC i sirkulasjonssystemet er assosiert med kreftmetastaser. De grunnleggende studiene av CTC-er har enorme potensialer for å undersøke den biologiske innsikten om de molekylære mekanismene som ligger til grunn for kreftmetastaser, kreftrelatert genmutasjon [8], eller oppdagelse av biomarkører, som både kan lette og akselerere forskere til å utvikle nye terapeutiske løsninger for fremtidig kreftbehandling . I tillegg antas CTC i blodsirkulasjonen å være hovedansvarlig for kreftprogresjon eller tilbakefall, og er derfor åpenbare mål for kreftbehandling. Flere nye studier har vist at CTC-er kan være en sanntids-tumorbiopsi som kan brukes i utvikling av nye medikamenter, og valg av terapeutiske regimer, som henholdsvis kan etablere farmakodynamikken eller den kliniske responsen til CTC-er på behandlingene. For sistnevnte kliniske nytte kan responsen til CTC-er på kjemoterapi (f. medikamentfølsomhet eller resistens) kan ikke bare brukes til å veilede den personlige kreftkjemoterapien, men kan også være en klinisk viktig indikator for å overvåke langsiktig terapeutisk effekt, tilbakefall av sykdom og endring av biologiske egenskaper til CTC-er på en sanntid og ikke-invasiv måte . Dette kan gi prediktiv informasjon for justering av terapeutisk opplegg gjennom stadier av kreftbehandling. Så vidt etterforskerne vet, har imidlertid bruken av CTC-er vært begrenset hovedsakelig på grunn av dens sjeldenhet med en omtrentlig konsentrasjon på 1 CTC per 105 -107 mononukleære blodceller, og en slik sjeldenhet gjør det vanskelig både å oppdage og isolere. Videre har etterforskere forståelse av deres biologiske eller kjemisk-fysiske egenskaper vært begrenset av tilgjengeligheten av teknologier som er i stand til å isolere dem i tilstrekkelig antall. Mengden isolerte CTC-er er for lav til å nå de laveste prøvegrensene for mange detaljerte molekylære og funksjonelle eksperimenter. Disse faktorene som følge av lave utvinningsgrader bremser den kliniske bruken av CTC. Til tross for begrensningene til gjeldende CTC-isoleringsmetoder, har sirkulerende kreftceller blitt oppdaget i et stort flertall av epitelkreft, som bryst-, prostata-, lunge- og tykktarmskreft. Pasienter med metastatiske lesjoner har en tendens til å ha CTC-er påvist i blodet; disse har imidlertid også blitt rapportert i enkelte lokaliserte kreftformer. Derfor, for ytterligere detaljerte undersøkelser, egenskapene til CTC-er og mekanismen for fjernmetastase, er det for tiden mest utfordrende og kritisk å utvikle en pålitelig, høy utvinningsgrad med høy renhet av isolerte CTC-er.

Presisjonsmedisin er en relativt ny strategi for å identifisere den beste terapien for hver pasients sykdom, basert på den genomiske karakteriseringen av et individs svulst, og selv om denne tilnærmingen har et enormt løfte, har de komplekse genetiske og epigenetiske profilene til individuelle tumorceller gjort denne tilnærmingen utfordrende. . En annen tilnærming til å forutsi behandlingsrespons har vært å direkte teste tumorceller fra pasienter i etablerte todimensjonale (2D) modeller i medikamentscreeningsstudier. Nyere studier av Yoshii og kolleger indikerte at tredimensjonale (3D) kulturforhold kan være mer reflekterende av tumor in vivo vekstforhold enn 2D cellekulturer. For å utforske dette har vi tidligere etablert en 3D-kulturmodeller for HNSCC og sammenlignet med 2D-kulturer og in vivo-svulstmodeller.

Pasientavledede xenografter (PDX) har blitt mye brukt til medikamentscreeningsstudier for å overvinne begrensningene ved 2D-screeningsstudier. Imidlertid har PDX-modeller også noen begrensninger; inkludert lave transplantasjonsrater av kreft hos nakne mus, slående forskjeller i farmakokinetikk mellom to mennesker og mus, og den lange tiden som kreves for medikamentscreening (4-8 måneder) studier i PDX-er. Nylig har 3D-cellekulturmodeller blitt brukt til medikamentscreeningsstudier og biomarkøranalyse. Etablering av cellelinjer fra 2D-kulturer av svulster avledet fra pasientvev har en lav suksessrate, og bare utvalgte tumorceller kan overleve i 2D-miljøet som kan gjenspeiles i en endret tumorheterogenitet fra den opprinnelige svulsten. Videre er det velkjent at langtidskultur kan selektere for genetiske endringer. Siden de fleste 3D-kulturmodeller avledet fra etablerte 2D-cellelinjer ikke opprettholder den opprinnelige tumorfenotypen, kan utvikling av 3D-kreftorganoidkulturer direkte fra en pasients kreftvev som inkluderer kreftstamceller, bedre rekapitulere karakteren til pasientens svulst enn de som stammer fra celler tidligere passert som 2D-kulturer. Selv om det er publiserte metoder for å generere kreftorganoider i forskjellige krefttyper, har etablering av HNSCC kreftorganoider ikke blitt forsøkt. Derfor var etterforskere interessert i å utvikle en HNSCC kreftorganoid modell og karakterisere dens egenskaper og sammenligne dem med funksjonene til originalen.

Cancer Tissue-Originated Spheroids (CTOS)-metoden er en teknikk for å etablere kreftorganoide linjer rapportert av Kondo et al. som viste høyt etablert rate i tykktarmskreft, lungekreft og blærekreft. I denne metoden dyrkes de oppnådde cellelinjene og opprettholdes som organoider. Organoider har evnen til å opprettholde de samme histologiske egenskapene til de opprinnelige svulstene. I tillegg er populasjonen av kreftstamceller svært lik mellom den opprinnelige svulsten og organoidlinjene, noe som indikerer at CTOS-metoden kan rekapitulere karakteren til den opprinnelige svulsten. I dette forslaget forsøker etterforskere å evaluere gjennomførbarheten av etablering og karakterisering av HNSCC-organoider, og nytten av disse cellelinjene som en modell for medikamentscreening og testing.