Использование 3D-модели культуры циркулирующих опухолевых клеток в сочетании с молекулярными биоанализами у пациентов с раком HNSCC

Поразительно, но, согласно статистическим данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в 2008 году рак стал основной причиной смертности во всем мире, что составило 7,6 миллиона смертей (около 13% всех смертей). По оценкам ВОЗ, в 2030 году во всем мире произойдет 12 миллионов смертей от рака. Ежегодно в Соединенном Королевстве диагностируют рак у более чем 285 000 человек, и, по текущим оценкам, более чем у одного из трех человек в какой-то момент жизни разовьется та или иная форма рака. Согласно статистическим данным Министерства здравоохранения (Тайвань), на Тайване рак также является одной из основных причин смертности населения Тайваня. Расходы, связанные с уходом и терапией онкологических больных, высоки и являются бременем для семей больных раком. Следовательно, рак не только представляет собой огромную угрозу для жизни человека, но также оказывает серьезное воздействие на общество и здоровье населения. Поэтому борьба с раком является одной из приоритетных задач биомедицинских исследований. Рак – это общий термин для большой группы заболеваний, которые могут поражать любую часть тела. Другими используемыми терминами являются злокачественные опухоли и новообразования. Одной из определяющих особенностей рака является быстрое образование аномальных клеток, которые выходят за пределы своих обычных границ и могут затем проникать в прилегающие части тела и распространяться на другие органы. Этот процесс называется метастазированием. Первичный рак представляет собой опухолевую массу, присутствующую в месте первоначального превращения нормальной клетки в опухолевую. Если бы все клетки оставались в первичной опухоли, рак имел бы небольшое клиническое значение. Рост опухоли будет оказывать давление на окружающие ткани, но четко очерченную опухолевую массу можно удалить хирургическим путем простым и необратимым способом. Тем не менее, опухолевые клетки не всегда остаются на первичном участке, а удаляются одним из двух процессов: (а) инвазией или перемещением клеток в соседнее пространство, занятое другими тканями; и (б) метастазирование, распространение клеток в области, не прилегающие непосредственно к первичной опухоли, обычно через кровоток, лимфатическую систему или через пространство тела. Метастазирование обычно происходит в несколько стадий: (в) отделение клеток от первичной опухоли, (2) проникновение и миграция опухолевых клеток в лимфатические или кровеносные сосуды, (3) размещение опухолевых клеток в кровеносных сосудах отдаленных органов, (г) ) инвазия опухолевых клеток через стенки сосудов и в ткань вторичных участков, (д) ​​рост вторичных опухолей на вторичных участках. Метастазирование рака является основной причиной смертности от рака.

Циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) — это редкий вид клеток, присутствующий в периферической крови, который был зарегистрирован с 1869 года. Хорошо известно, что присутствие ЦОК в системе кровообращения связано с метастазированием рака. Фундаментальные исследования ЦОК обладают огромным потенциалом для изучения биологических представлений о молекулярных механизмах, лежащих в основе метастазов рака, связанных с раком генных мутаций [8] или открытия биомаркеров, что может как облегчить, так и ускорить разработку новых терапевтических решений для будущего лечения рака. . Кроме того, считается, что ЦОК в кровообращении несут основную ответственность за прогрессирование или рецидив рака и, таким образом, являются очевидной мишенью терапии рака. Несколько новых исследований показали, что ЦОК могут представлять собой биопсию опухоли в реальном времени, которую можно использовать при разработке новых лекарств и выборе терапевтических схем, с помощью которых можно установить фармакодинамику или клинический ответ ЦОК на лечение соответственно. Что касается последней клинической пользы, ответы ЦОК на химиотерапию (например, чувствительность или устойчивость к лекарственным средствам) не только может использоваться для определения персонализированной химиотерапии рака, но также может быть клинически важным индикатором для мониторинга долгосрочной терапевтической эффективности, рецидива заболевания и изменения биологических характеристик ЦОК в режиме реального времени и неинвазивным способом. . Это может предоставить прогностическую информацию для корректировки терапевтической схемы на всех этапах лечения рака. Однако, насколько известно исследователям, использование ЦОК было ограничено главным образом из-за их редкости с приблизительной концентрацией 1 ЦОК на 105-107 мононуклеаров крови, и такая редкость затрудняет как обнаружение, так и выделение. Более того, понимание исследователями их биологических или химико-физических свойств было ограничено наличием технологий, способных изолировать их в достаточном количестве. Количество изолированных ЦОК слишком мало, чтобы достичь самых низких пределов выборки многих подробных молекулярных и функциональных экспериментов. Эти факторы, возникающие в результате низких показателей выздоровления, замедляют клиническое использование ЦОК. Несмотря на ограничения современных методов выделения ЦОК, циркулирующие раковые клетки были обнаружены при подавляющем большинстве эпителиальных видов рака, таких как рак молочной железы, простаты, легких и толстой кишки. У пациентов с метастатическими поражениями, как правило, в крови обнаруживаются ЦОК; однако о них также сообщалось при некоторых локализованных формах рака. Таким образом, для дальнейших детальных исследований характеристик ЦОК и механизма отдаленного метастазирования разработка надежной, высокой скорости восстановления с высокой чистотой изолированных ЦОК в настоящее время является наиболее сложной и важной задачей.

Прецизионная медицина — это относительно новая стратегия определения наилучшего лечения заболевания каждого пациента, основанная на геномной характеристике индивидуальной опухоли, и хотя этот подход имеет огромные перспективы, сложные генетические и эпигенетические профили отдельных опухолевых клеток делают этот подход сложным. . Другой подход к прогнозированию ответа на лечение заключался в прямом тестировании опухолевых клеток пациентов с помощью установленных двумерных (2D) моделей в исследованиях по скринингу лекарств. Недавние исследования Йошии и его коллег показали, что трехмерные (3D) условия культивирования могут более отражать условия роста опухоли in vivo, чем 2D клеточные культуры. Чтобы изучить это, мы ранее создали 3D-модели культуры для HNSCC и сравнили ее с 2D-культурами и моделями опухолей in vivo.

Ксенотрансплантаты, полученные от пациентов (PDX), широко использовались в исследованиях по скринингу лекарств, чтобы преодолеть ограничения 2D скрининговых исследований. Однако модели PDX также имеют некоторые ограничения; в том числе низкие показатели приживления рака у голых мышей, поразительные различия в фармакокинетике между двумя людьми и мышами, а также длительное время, необходимое для исследований по скринингу лекарств (4-8 месяцев) на PDX. В последнее время трехмерные модели клеточных культур стали использоваться для исследований по скринингу лекарств и анализу биомаркеров. Создание клеточных линий из 2D-культур опухолей, полученных из тканей пациента, имеет низкую вероятность успеха, и только избранные опухолевые клетки могут выжить в 2D-среде, что может отражаться в измененной гетерогенности опухоли по сравнению с исходной опухолью. Более того, хорошо известно, что долговременная культура может отбирать генетические изменения. Поскольку большинство моделей 3D-культур, полученных из установленных 2D-клеточных линий, не сохраняют исходный фенотип опухоли, разработка 3D-культур органоидов рака непосредственно из раковой ткани пациента, включающей раковые стволовые клетки, может лучше воспроизвести характер опухоли пациента, чем те, которые получены из клетки, ранее пассированные как 2D-культуры. Хотя существуют опубликованные методы создания раковых органоидов при различных типах рака, попыток создания раковых органоидов HNSCC не предпринималось. Поэтому исследователи были заинтересованы в разработке органоидной модели рака HNSCC, охарактеризации ее свойств и сравнении их с особенностями оригинала.

Метод сфероидов, происходящих из раковой ткани (CTOS), представляет собой метод установления линий раковых органоидов, о котором сообщили Kondo et al. который показал высокую распространенность рака толстой кишки, рака легких и рака мочевого пузыря. В этом методе полученные клеточные линии культивируются и сохраняются как органоиды. Органоиды способны сохранять те же гистологические характеристики, что и исходные опухоли. Кроме того, популяция раковых стволовых клеток очень схожа между исходной опухолью и линиями органоидов, что указывает на то, что метод CTOS может воспроизвести характер исходной опухоли. В этом предложении исследователи пытаются оценить возможность создания и характеристики органоидов HNSCC, а также полезность этих клеточных линий в качестве модели для скрининга и тестирования лекарств.