1. Введение в модели тканевой инженерии
2. Модели двумерных (монослойных) культур
3. 3D-культуральные модели
4. Состав каркаса для моделирования костной микросреды
5. Расположение волокон в инженерных материалах для управления клетками
6. Влияние механических свойств субстрата на поведение опухолевых клеток
7. Сфероиды как трехмерные модели клеточных культур рака
8. Модели метастазирования опухоли «орган-на-чипе»
9. Доклинические модели метастатического поражения косте
10. Перспективы на будущее
11. Список использованной литературы

Метастатическое поражение кости — распространенное проявление рака, которое приводит к повышенному риску смерти и осложнений. По эпидемиологическим оценкам, ежегодно в США от костных метастазов умирают 350 тыс. человек. Показатели выживаемости при МПК в целом невысоки, но зависят от первичного очага рака. На первичный рак молочной железы, легкого и предстательной железы приходится 70% случаев МПК.

Кроме того, экономическое бремя пациентов с МПК в США оценивается в 12,6 млрд долларов в год, что составляет 17% от общих прямых медицинских расходов. По мере старения населения планеты ожидается рост МПК, что приведет к увеличению экономического бремени, снижению показателей выживаемости и ухудшению клинических исходов, поскольку ресурсы для лечения будут ограничены.

Именно поэтому существует прямая необходимость в улучшении клинической терапии для повышения выживаемости больных и улучшения исходов.

Кость занимает третье место по частоте возникновения метастазов после легких и печени. Высокая распространенность метастазирования в кости объясняется богатым снабжением их артериальной кровью, что связано с участками ремоделирования костей. Наиболее частая причина метастазирования в кости — карцинома, хотя неэпителиальные опухоли также могут быть источником метастазов в кости, а мезенхимальные опухоли, включая саркомы, могут метастазировать в кость на поздних стадиях.

Осложнения МПК включают патологические переломы костей, боль, гиперкальциемию и компрессию спинного мозга. Эти осложнения возникают после того, как опухолевые клетки проникают в костный мозг, что приводит к нарушению местной костной активности из-за перекрестного взаимодействия между опухолевыми клетками и местными костными клетками. Опухолевые клетки также могут влиять на костный гомеостаз, связанный с резорбцией костной ткани, формированием костной ткани или тем и другим.

Модели тканевой инженерии представляют собой многообещающее оружие в борьбе с раком. Модели тканевой инженерии костных метастазов необходимы для того, чтобы улучшить наше понимание основных стимулов опухолевого генеза и метастазирования, разработать более эффективные терапевтические и диагностические средства и облегчить внедрение полученных данных в клиническую практику.

Использование этих моделей также может прояснить патогенез метастатического рака на биологическом уровне, поскольку механизмы, лежащие в основе метастазирования в кости, до сих пор плохо изучены. В то время как большинство экспериментальных подходов сосредоточены исключительно на раковых клетках, тканеинженерные модели позволяют изучить роль микроокружения опухоли путем исследования структуры внеклеточного матрикса и взаимодействия раковых клеток с другими клетками. Разработка эффективных тканеинженерных моделей костных метастазов может ускорить выявление новых лекарственных мишеней и неизвестных сигнальных путей, регулирующих опухолевый генез, что приведет к улучшению клинических исходов и показателей выживаемости при МПК.

В этой статье на сайте мы расскажем о широко используемых моделях тканевой инженерии метастазирования и рассмотрим стоящие перед нами проблемы, чтобы повысить эффективность данного подхода.

а) Введение в модели тканевой инженерии. Кость — одно из наиболее распространенных мест метастазирования рака, поэтому существует большая потребность в клинически значимых и воспроизводимых моделях для эффективного моделирования МПК. Значительный прогресс был достигнут в разработке противораковых стратегий для лечения первичных опухолей, включая рак молочной и предстательной желез, однако в лечении метастатического рака остаются значительные трудности.

Гетерогенность опухоли — ключевое препятствие, поскольку отдельные новообразования различаются по инвазивной способности, чувствительности к препаратам, прогнозу и скорости роста. Необходимо также учитывать сложность костной ткани как места метастазирования. Несмотря на использование различных подходов in vivo и in vitro, онкологическому сообществу не хватает биомиметической модели для изучения костного метастазирования, которая бы эффективно отражала взаимоотношения между метастатическими раковыми клетками и костной тканью.

В идеале такие модели должны воспроизводить гетерогенность опухоли и включать генетические и фенотипические изменения, которые обычно представлены в раковых опухолях человека. Кроме того, масштабируемая и воспроизводимая модель была бы идеальна для проведения эффективных исследований.

Существующие модели тканевой инженерии костных метастазов для изучения in vitro ограничены вследствие чрезмерно упрощенной микросреды, а мышиные модели несопоставимы с человеческими метастазами в кости. Несмотря на широкое применение, мышиные модели в настоящее время не имеют клинической значимости, воспроизводимости и представления о картинах болезни.

Традиционные двумерные (2D) модели не обладают необходимой сложностью для воспроизведения заболевания, поскольку они не отражают пространственные сигналы и дают ограниченное представление о взаимодействии между раковыми клетками и физиохимической средой. Трехмерные (3D) модели позволяют лучше понять физиологическое состояние благодаря более сложным взаимодействиям между типами клеток и пространственными сигналами.

Модели «орган-на-чипе» стали интересным методом изучения влияния рака на некоторые органы, облегчая перекрестное взаимодействие между раковыми клетками из разных тканей, метастазирование и оценку влияния химиотерапевтических препаратов на другие системы органов. Более сложные тканеинженерные модели костного метастазирования включают модель мышиной опухоли для оценки метастазирования в кости in vivo. Несмотря на разнообразие моделей, исследователи ищут наиболее подходящую модель для исследований, руководствуясь рядом соображений (рис. 1).

Здесь мы рассмотрим достоинства и недостатки различных моделей тканевой инженерии костного метастазирования.

б) Модели двумерных (монослойных) культур. 2D-модели обычно используют для изучения влияния специфических стимулов на миграцию и выживание клеток с целью выявления метастазов в кости. Модели in vitro ценны для изучения влияния различных структурных, микросредовых и клеточных композиций в контролируемой среде. 2D-модели широко применяют вследствие их низкой стоимости, возможности изолировать интересующие переменные, а также потому, что более сложные модели (3D и in vivo) имеют множество неконтролируемых факторов, которые препятствуют изучению прогрессии метастатического рака.

2D-модели позволяют проводить количественный анализ функций клеток и связанных с ними пролиферации, выживания, адгезии и инвазии. Расширенные 2D-модели in vitro включают гетерогенные клеточные модели, а также подразумевают использование клеток из генетически модифицированных моделей мышей или первичных клеток, полученных непосредственно от пациентов. 2D-модели по-прежнему широко используются благодаря простоте применения и возможности быстрого скрининга лекарственных мишеней. Однако вследствие недостаточной сложности результаты, полученные в 2D-исследованиях, как правило, не имеют эффективного клинического применения.

Миграция клеток — это простой анализ, обычно используемый в качестве индикатора метастазирования, который изучают в 2D с помощью методов анализа заживления царапины или Трансвел-анализа. Миграционный потенциал раковых клеток можно изучить при заживлении царапины или раны, измеряя способность опухолевых клеток заполнять образовавшуюся рану в едином клеточном слое или мигрировать через пористую мембрану в ответ на градиент стимулов. В этих исследованиях часто выясняют влияние определенного гена или растворимого фактора на хемотаксический потенциал клетки.

Микроскопию живых клеток обычно используют в сочетании с каждым анализом для количественной оценки кинетики миграции клеток во времени. Однако ограничения этого подхода включают плохую масштабируемость и проблемы с изучением множества типов клеток, что приводит к недостаточной релевантности для моделей in vivo. Кроме того, очень важно убедиться, что покрытие 2D-раны обусловлено миграцией клеток, а не их пролиферацией, что может быть достигнуто с помощью растворимых ингибиторов пролиферации клеток в культуральной среде. В качестве альтернативы разрабатывают 3D-модели, которые лучше воспроизводят физиологические условия и позволяют добиться значимых результатов скрининга лекарственных препаратов в модели, более подходящей для in vivo.

в) 3D-культуральные модели. Ограничения 2D-моделей для изучения костного метастазирования мотивируют необходимость разработки более совершенных моделей in vitro, которые имитируют биологические процессы in vivo и улучшают воспроизводимость полученных результатов. Появление 3D-моделей стало результатом компромисса между простотой 2D-культуральных моделей раковых клеток и сложностью гуманизированных иммунодефицитных мышиных моделей. 3D-модели полезны для понимания связи между клеточными и молекулярными механизмами, связанными с МПК, и факторами, вызывающими метастатическую прогрессию из первичного опухолевого очага во вторичный.

3D-модели могут успешно воспроизводить элементы клеточного и матричного состава кости, механические свойства костной ткани и ультраструктуру ткани (например, пористость или расположение волокон коллагена), объединяя разработанные биоматериалы с соответствующими типами клеток, включая остеобласты, остеокласты, эндотелиальные клетки и мезенхимальные клетки-предшественники. Другие физиологические процессы и элементы могут быть лучше смоделированы в 3D, например пространственное распределение клеток и гипоксическая микросреда, которая стимулирует выработку проангиогенных факторов, секретируемых стромальными и опухолевыми клетками. Ниже мы расскажем о недавних попытках контролировать эти факторы.

г) Состав каркаса для моделирования костной микросреды. Состав — важный элемент соответствующей 3D-модели, который можно настроить, обеспечив включение соответствующих компонентов в платформу. Состав костной ткани, особенно внеклеточного матрикса (ВКМ), делает ее привлекательным местом для миграции и пролиферации раковых клеток. В структуре кости присутствуют как органические, так и неорганические компоненты.

К органическим компонентам относится коллаген I типа, который обеспечивает прочность кости на растяжение, а неорганические компоненты, такие как гидроксиапатит (HAp), обеспечивают прочность костной ткани на сжатие. При создании трехмерных тканеинженерных моделей используют множество полимеров, как органических (например, фибрин, альгинат, коллаген и деминерализованный костный матрикс), так и неорганических (полиэтиленгликоль, полилактид-ко-гликолид, поликапролактон). Помимо таких факторов, как молекулярный вес и деградация полимера, плотность и пористость биоматериала являются ключевыми атрибутами, которые определяют, будет ли субстрат представлять собой достаточно биомиметичную микросреду.

Часто используют каркасы на основе коллагена, поскольку коллаген — наиболее распространенный белок ВКМ в костной ткани. Однако такие каркасы обычно не обладают плотностью, характерной для костной ткани. В качестве альтернативы: клеточные каркасы обладают большей пористостью и позволяют мигрирующим опухолевым клеткам метастазировать гораздо быстрее, чем это наблюдается in vivo. Биоматериалы природного происхождения, такие как коллаген, фибрин и матригель, обладают преимуществом сходства с ВКМ родной ткани, обеспечивая места для прикрепления клеток и передачи клеточных сигналов для стимулирования клеточной пролиферации, миграции и ремоделирования субстрата.

Однако органические биоматериалы имеют ряд ограничений, включая деградацию, ограниченные механические свойства и изменчивость от серии к серии, что может исказить результаты экспериментов. Коллаген, хотя и преобладает в костном ВКМ, обладает низкой механической прочностью и может вызвать сложности в обработке. Альгинат обеспечивает большую настраиваемость механических свойств, но не поддерживает адгезию клеток и требует модификации адгезивными пептидами, такими как аргинин-глицин-аспарагиновая кислота (RGD). Органические биоматериалы ценятся за их низкую токсичность, клеточную адгезию и способность к ремоделированию ассоциированными клетками.

Однако их ограниченные механические свойства обусловливают необходимость использования других биоматериалов для создания моделей с необходимыми механическими свойствами, пористостью и воспроизводимостью.

Биологическая значимость 3D-платформ биоматериалов может быть улучшена за счет включения в них добавок, повторяющих структуру и функции костной ткани. Костная ткань представляет собой композитный матрикс, состоящий из органического коллагена и неорганических минеральных отложений HAp. Кристаллы HAp, расположенные внутри коллагеновых фибрилл, придают костной ткани жесткость и устойчивость к сжимающим нагрузкам. HAp играет роль в формировании минерализованной ткани и изменяет профили роста и экспрессии метастатических опухолей. Однако взаимосвязь между кристаллом апатита и патогенезом костного метастазирования остается неясной. Композитные каркасы из поли(лактид-ко-гликолида) (PLG), нагруженные HAp, использовались для изучения остеогенной дифференцировки и формирования минерализованной ткани, а также в качестве улучшенной биомиметической модели для изучения метастазирования рака молочной железы в кости.

Добавление широко распространенной последовательности адгезивного пептида RGD к композитным каркасам HAp-PLG показало, что HAp играет важную роль в направлении метастазирования рака молочной железы в кости, подчеркивая его важность в качестве минерализованного компонента в 3D-модели для изучения МПК. Кроме того, клетки рака молочной железы в минерализованных каркасах были более восприимчивы к ибандроновой кислоте, препарату из группы бисфосфонатов, что подчеркивает важность HAp в моделях костного метастазирования.

Включение HAp в инженерные платформы позволяет определить лучшие терапевтические мишени для борьбы с опухолевым генезом и метастазированием.

По сравнению с клетками в контрольных каркасах, трансформированные клетки метастатического рака молочной железы MCF10DCIS выделяли больше проопухолевого интерлейкина-8 (рис. 2, а) и демонстрировали морфологические характеристики, связанные с повышенной инвазивностью и подвижностью при культивировании на композитных каркасах HAp-PLG (рис. 2, б). Более того, ксенотрансплантаты MCF10DCIS в HAp-PLG-каркасах демонстрировали повышенную злокачественную прогрессию по сравнению с ксенотрансплантатами на контрольных PLG-каркасах.

Поли(молочная кислота) (PLA) и PLGA— родственные сополимеры, которые широко применяют в 3D-моделях костных метастазов, поскольку они легко изготавливаются, биоразлагаются и обладают отличными физико-механическими свойствами, которые можно регулировать с помощью композитов или модификации молекулярного веса. Однако керамические полимерные каркасы могут быть хрупкими, что заставляет использовать их в основном для моделей без нагрузки.

Поликапролактон (PCL) и биорезорбируемые полиуретаны (PU) представляют собой два широко используемых синтетических биоматериала для создания трехмерных тканеинженерных моделей. PCL — полимер, одобренный Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов (FDA) США, используемый в различных областях медицины, но обладающий медленной скоростью деградации и высокой гидрофобностью, что приводит к ограниченному взаимодействию с клетками. Полиуретан также широко используется и обладает широким спектром механических свойств, но эти материалы медленно разлагаются.

В одном из примеров композитные каркасы из PCL с наночастицами HAp были засеяны человеческими мезенхимальными стромальными клетками для создания костеподобной биомиметической микросреды в ее преметастатическом состоянии для изучения метастазирования рака молочной железы.

С помощью 3D-печати была изучена миграция клеток рака молочной железы в композитных полиуретановых каркасах в зависимости от структуры пор и каналов. Результаты показали, что более зрелые преметастатические ниши были благоприятны для инвазии рака, что позволило понять влияние места метастазирования на процесс метастазирования рака молочной железы. В другом исследовании нерассасывающиеся пенополиуретаны использовали для изучения взаимодействия между клетками, инициирующими опухоль рака молочной железы, и костным микроокружением путем имитации микроструктуры трабекулярной кости человека.

Стромальные клетки, полученные из жировой ткани человека (ADSCs), были дифференцированы в остеобластическую линию. Платформу эффективно использовали для тестирования миграции клеток рака молочной железы, адгезии и нарушения отложения фосфата кальция в процессе ремоделирования кости из остеогенно дифференцированных клеток-предшественников. Поскольку каркас не разлагается, его можно использовать для долгосрочного изучения взаимодействия отложения фосфата кальция и метастатических клеток рака молочной железы. В будущем эта модель может быть использована в качестве модели кости конкретного пациента для изучения взаимодействия метастатических клеток с микросредой кости конкретного пациента. Хотя неорганические биоматериалы компенсируют некоторые ограничения органических биоматериалов, в частности механические свойства, однако отсутствие деградации некоторых материалов и побочные продукты пока являются нерешенными проблемами.

д) Расположение волокон в инженерных материалах для управления клетками. Волокнистая структура ВКМ в здоровой ткани — ключевой атрибут тканевого гомеостаза. Для успешного онкогенеза и метастазирования раковые клетки быстро перестраивают окружающий их ВКМ, чтобы обеспечить рост опухоли и препятствовать эффективной доставке химиотерапевтических агентов. Именно поэтому волокнистая структура и расположение волокон должны рассматриваться как важные переменные для создания эффективных инженерных 3D-моделей. Остеобласты и остеокласты представляют собой в ремоделировании кости два основных типа клеток, которые поддерживают гомеостаз кости и регулируют ее ремоделирование посредством связи между клетками и ответом на сигналы ВКМ.

Однако при метастазировании в кости костное ремоделирование нарушается. Метастатические опухолевые клетки используют естественные побочные продукты костного ремоделирования, чтобы способствовать пролиферации и росту опухолевых клеток. Именно поэтому крайне важно понять роль волокнистой структуры в составе ВКМ в поведении метастатических клеток. 3D-архитектура коллагена напрямую влияет на прочность адгезии раковых клеток и на деградацию матрикса. Более мелкие поры в коллагеновой структуре ограничивают раковые клетки и снижают клеточную адгезию, способствуя тем самым миграции клеток. Эти данные согласуются с результатами других исследований, в которых раковые клетки ограничивались микропористыми мембранами, становившиеся более устойчивыми к клеточной гибели после уменьшения клеточной адгезии. Это еще раз подтверждает, что ограниченная миграция приводит к увеличению метастатического потенциала.

Расположение коллагеновых волокон служит ориентиром для метастатических раковых клеток, усиливает их персистенцию и даже может способствовать прогрессии опухоли in vivo. Когда расположение волокон коллагена регулируется одноосным натяжением, приложенным к матрице биоматериала, субстрат направляет инвазию раковых клеток и метастазирование макропористых каркасов. Другие исследования показали, что МПК нарушает расположение волокон коллагена и биологического апатита в длинных костях, снижая их механическую функцию.

В качестве альтернативы обычным волокнистым органическим полимерам исследуются полимерные микроленты, которые позволяют увеличить пролиферацию клеток и осаждение матрикса. Эти микроволокна представляют собой поперечно сшитые эластомеры, способные инкапсулировать клетки в 3D и формировать макропористый каркас. Включение микролент в гидрогели на основе метакрилоил желатина (GelMA) увеличило формирование минерализованной ткани по сравнению с гидрогелями GelMA, поддерживающими большие циклические деформации для использования в костной регенерации ненагружаемых костей свода черепа. Микроленты в сочетании с HAp также использовались для моделирования остеосаркомы в 3D и выявления лекарственных мишеней, которые не были определены в 2D-моделях.

Эта платформа может служить для конкретного пациента потенциальной моделью остеосаркомы, которая учитывает гетерогенность и механизмы лекарственной устойчивости. В совокупности эти примеры подтверждают, что организация ВКМ напрямую влияет на скорость пролиферации, миграции и на метастатический потенциал раковых клеток и должна рассматриваться как ключевая переменная тканеинженерных моделей костного метастазирования.

е) Влияние механических свойств субстрата на поведение опухолевых клеток. Жесткость и вязкоупругость костного ВКМ может регулировать взаимодействие раковых клеток с микроокружением. Чувствуя жесткость окружающих тканей, клетки изменяют свой актиновый цитоскелет, который влияет на многочисленные клеточные процессы, такие как пролиферация, подвижность и, в конечном итоге, метастазирование. Полиакриламид, тонко регулируемый полимерный субстрат, был использован для изучения влияния жесткости субстрата на клетки рака молочной железы (MCF-7s). MCF-7 демонстрировали выраженные различия в морфологии и цитоскелетной организации в ответ на изменение модуля Юнга, о чем свидетельствовала реорганизация цитоскелета в ответ на высокую или низкую жесткость полиакриламида.

Клетки MCF-7, культивируемые на мягких субстратах (0,1 кПа), имели округлую форму, в то время как клетки на более жестких субстратах (17,3 кПа) имели плоскую, распластанную форму. Полученные данные свидетельствуют о том, что метастатические раковые клетки адаптируются к жесткости субстрата, что является потенциальным стимулом для способности раковых клеток вторгаться в другие ткани. Таким образом, роль жесткости субстрата — важный фактор для тканеинженерных моделей.

Вязкоупругость нормальных эпителиальных клеток молочной железы снижается по мере их трансформации в раковые клетки с повышенным метастатическим потенциалом. Этот переход обычно связан с изменениями в цитоскелете, снижением уровня экспрессии актина и дезорганизацией цитоскелетной структуры актина. В свете важности вязкоупругости ВКМ в многочисленных исследованиях проводилась модификация вязкоупругости субстрата для изучения ее роли в миграции раковых клеток в кость. Релаксация напряжения, уменьшение напряжения с течением времени, когда к вязкоупругим тканям прикладывается постоянная деформация, — ключевая переменная при создании биомиметических ВКМ для изучения метастазирования раковых клеток.

Злокачественные и доброкачественные опухоли имеют разную вязкоупругость вследствие изменения релаксации напряжения. Это позволяет предположить, что релаксация напряжения в ВКМ может играть роль в прогрессировании рака молочной железы. При использовании коллагена в качестве субстрата жесткость ВКМ способствовала метастазированию, а увеличение плотности и организация коллагена способствовали пролиферации и миграции раковых клеток. Пластичность субстрата позволяет генерируемым клетками силам постоянно изменять микроструктуру матрикса, что способствует инвазии и миграции клеток через ограниченные матрицы. Это было продемонстрировано на примере гидрогелей с лиганд-презентирующими взаимопроникающими сетками (IPN) на основе базовой мембраны, пластичность которых регулировалась независимо от жесткости.

Изолированные раковые клетки инвазировали и мигрировали через гидрогели IPN, используя генерируемую клетками силу для механического открытия каналов и выталкивающие силы для миграции через поры.

Поскольку опухолевые клетки обладают высокой пластичностью, ткань получала необратимые повреждения после деформации, что подчеркивает актуальность проблемы механической пластичности и рака молочной железы. Эти результаты показывают, как инвазия и миграция раковых клеток взаимодействуют с другими способами миграции через ограниченные микросреды, на которые влияют организованные коллагеновые сети. Понимание этих механизмов может позволить разработать более эффективные мишени для лекарств, выявив, как клетки рака молочной железы распространяются с помощью своего микроокружения. Таким образом, роль вязкоупругости, пластичности и прогрессирования костного метастаза от первичного к вторичному очагу должна быть изучена для выяснения этих основополагающих механистических принципов.

ж) Сфероиды как трехмерные модели клеточных культур рака. Опухоли растут в организме в трех измерениях, что приводит к градиентам питательных веществ, кислорода и межклеточных взаимодействий, которые разительно отличаются от тех, что наблюдаются в монослойной культуре или при изучении клеток, заключенных в биоматериалы. Более того, эти стимулы могут играть важную роль в модуляции хемотаксиса и в итоге метастазирования. По сравнению с монодисперсными клетками сфероиды демонстрируют повышенную устойчивость к апоптозу и повышенную секрецию факторов роста, таких как фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), который является важным фактором, способствующим ангиогенезу и инвазии сосудов. Важно отметить, что клетки, объединенные в сфероиды, демонстрируют значительные различия в ответе на химиотерапию по сравнению с клетками в монослойной культуре, что еще больше мотивирует необходимость использования 3D-взаимодействия для изучения эффективных терапевтических средств.

Сфероиды остеосаркомы, называемые саркосферами, были сформированы с использованием трех высокометастатических клеточных линий человека. Эти саркосферы легко формируются и обладают высокой степенью однородности для трех различных высокометастатических клеточных линий остеосаркомы (143B, MG-63 и LM7). Саркосферы обрабатывали обычными химиотерапевтическими препаратами, включая метотрексат, доксорубицин и цисплатин (MAP). Эффективность MAP зависела от клеточной линии, причем саркосферы MG-63 и LM7 демонстрировали бо'льшую устойчивость к метотрексату, чем клетки 143B. Кроме того, клетки MG-63 в монослое были менее устойчивы к метотрексату, чем саркосферы, а клетки LM7 в монослое были химиорезистентны. Эти исследования подчеркивают гетерогенность клеточных линий остеосаркомы и могут быть использованы в качестве системы доклинического скрининга лекарственных препаратов для остеосаркомы.

Однако модель не учитывает ранние и поздние стадии остеосаркомы, что крайне важно, поскольку остеосаркома на поздних стадиях более химиорезистентна.

Ранние модели сфероидов совместного культивирования использовались для изучения состояния остеосаркомы, в них рассматривалась взаимосвязь между удалением опухоли и регенерацией кости. При совместном культивировании меняли соотношение клеток MSC и SaOS2 — клеточной линии остеосаркомы человека с остеобластическими свойствами — для моделирования состояния болезни на ранней и поздней стадиях. Полученная модель сфероидов впервые использовалась для проверки эффективности доксорубицина на ранних и поздних стадиях в одной и той же модели сокультуры. Модель позволяет потенциально проводить скрининг терапевтических вариантов для остеосаркомы до экспериментов in vivo, что, возможно, увеличит количество воспроизводимых клинических результатов в ускоренные сроки на ранних и поздних стадиях заболевания. Разработка 3D-моделей сфероидов остеосаркомы открывает возможности для увеличения выживаемости пациентов с остеосаркомой, а также для высокопроизводительного скрининга лекарственных мишеней и даже персонализированных планов лечения.

з) Модели метастазирования опухоли «орган-на-чипе». Модели «орган-на-чипе» (OOC) — новые инструменты, используемые для понимания влияния окружающих тканей на метастазирование клеток и химиотерапевтическую токсичность. Другие подходы, такие как монослойная культура, культура сфероидов или изучение поведения раковых клеток в костеподобном ВКМ, в первую очередь оценивают поведение раковых клеток в изоляции, не учитывая паракринный эффект окружающих тканей или влияние на них химиотерапевтических препаратов. Модели OOC основаны на выращивании модельных микротканей, которые затем соединяются с помощью микрожидкостных каналов и общих сред для изучения взаимодействия между тканями. Такие модели обладают многочисленными преимуществами по сравнению с 2D-культурами и 3D-тканевыми конструкциями для изучения МПК.

Поведение клеток зависит от конструкции платформы, которая может создавать тканеспецифический ВКМ, контролировать временные и пространственные градиенты питательных веществ посредством внедрения синтетической сосудистой сети на основе микрофлюидики и обеспечивать высокую пропускную способность. Кроме того, эта платформа легко позволяет проводить биохимический и оптический мониторинг тканей в режиме реального времени, а также извлекать клетки для анализа. В случае МПК модель «кость-на-чипе» будет включать соответствующие типы клеток, такие как мезенхимальные стромальные клетки, остеобласты и эндотелиальные клетки, заключенные в коллагеновый матрикс. Для изучения трансэндотелиальной миграции высокометастатических клеток рака молочной железы и наблюдения за их поведением в костеподобном матриксе был создан BOC, состоящий из трикультуры MSC, эндотелиальных клеток и клеток аденокарциномы молочной железы человека M0A-MB-231.

Экстравазация была значительно выше в остеогенном микроокружении MSC по сравнению с матрицами, содержащими только коллагеновый гель, а дистанция миграции также была значительно больше. Экстравазированные клетки пролиферировали, образуя микрометастазы к пятому дню.

Эта система может улучшить понимание ключевых стимулов, запускающих метастазирование в кости из первичных опухолей предстательной железы, легких и молочной железы. Более того, эта конструкция может дать новое представление об успешности лечения опухолей, возникающих в костях, таких как остеосаркома, и привести к более обоснованному лечению.

Модель OOC — эффективная платформа для изучения системного воздействия химиотерапевтических препаратов на уязвимые ткани (например, сердце и печень) у пациентов до начала клинических испытаний. Интегрированная платформа с несколькими тканевыми интерфейсами может обеспечить мониторинг роста раковых клеток, эффективности и токсичности лекарств in situ в режиме реального времени. Исследователи изучали эффективность и токсичность линситиниба^, новой малой молекулы ингибитора IGF-1R и рецептора инсулина, используемого в качестве химиотерапевтического средства, с помощью интегрированной OOC, состоящей из сконструированной костной опухоли саркомы Юинга и сконструированной сердечной ткани человека (рис. 3, а, б). Воздействие лекарственного препарата на изолированные костную и сердечную ткани приводило к значительному снижению жизнеспособности опухоли и сердечной функции соответственно.

В то же время воздействие препарата на интегрированную модель OOC показало слабую реакцию опухоли и меньшую кардиотоксичность, что совпало с результатами недавнего клинического испытания II фазы. Хотя этот подход использовали для лечения саркомы, его принцип можно легко перенести на изучение роли химиотерапевтических препаратов при карциноме и МПК. Модели OOC полезны также для оценки влияния паракринных факторов и других секретируемых факторов, таких как внеклеточные везикулы, на метастазирование опухоли (рис. 3, в). Эта платформа дает возможность изучать влияние разных доз лекарственных препаратов на микроткани человека без риска для пациентов, участвующих в клинических испытаниях.

Как и все тканеинженерные модели, OOC не лишена изъянов. Формирование опухоли и МПК у человека требует длительного времени (от нескольких месяцев до нескольких лет), в течение которого происходят резкие изменения в содержании ВКМ, механических свойствах и иммунологическом ответе. На сегодняшний день культуры in vitro не поддерживают такого длительного срока развития. Создание тканевых моделей с размерами в несколько сотен микрометров может быть сложной задачей вследствие ограниченной васкуляризации и транспорта питательных веществ. Эти проблемы можно преодолеть с помощью микрожидкостной циркуляции, однако воспроизведение характеристик эндогенной сосудистой системы in vitro, включая механическое раздражение, взаимодействие иммунных клеток и точную экстравазацию, представляет собой сложную задачу.

и) Доклинические модели метастатического поражения костей. Инженерные мышиные модели представляют собой следующую эволюцию систем моделирования костных метастазов для применения в тканевой инженерии. Мышиные модели ксенотрансплантатов, полученных от пациентов (PDX), позволяют получать большие объемы ценных опухолевых тканей. Мышиные модели поддерживают рост и метастазирование опухоли в условиях in vivo с работающим сосудистым руслом, а у мышей с имитацией человеческого организма позволяют изучать элементы иммунной системы. Однако мышиные модели также страдают от специфических проблем, связанных с адекватным пониманием триггеров метастазирования в кости. К ним относят (1) короткую продолжительность жизни мыши по сравнению с человеком; (2) быстрый рост опухоли в первичном очаге, что может потребовать эвтаназии в соответствии с правилами IACUC; (3) быстрый метаболизм клеток мыши-хозяина и вновь созданного ВКМ, которые могут влиять на рост опухоли и метастазирование.

Мышиные модели — это реципиенты трансплантированных человеческих раковых клеток и человеческих костных имплантатов в качестве мишеней для метастазирования в иммуносупрессивных мышах SCID-hu, которые представляют собой мышей SCID, способных поддерживать человеческую кроветворную дифференцировку и функцию in vivo. Эти мыши широко используются для изучения иммунитета и опухолевого роста, поскольку у них отсутствуют Т- и В-клетки, но сохраняются другие компоненты врожденной иммунной системы, такие как макрофаги и гранулоциты. При трансплантации человеческих клеток мышиные модели с имитацией человеческого организма лучше воспроизводят прогрессию опухоли и моделируют процесс метастазирования у человека. В этих моделях используют подкожный имплантат человеческой кости или тканеинженерной костной ткани для проверки способности опухолевых клеток, введенных в кровеносную систему или первичный опухолевый очаг, к экстравазации.

Модели с инъекцией в кость исследуют инвазивную способность клеток проникать в микроокружение. Ортотопические модели (то есть спонтанное метастазирование из первичной опухоли) используют для изучения интравазации, экстравазации и выживаемости в кровеносной системе. Тканевую инженерию используют для создания улучшенной костной микросреды в качестве места метастазирования. Материал каркаса служит структурной опорой и реализует сигналы окружающей среды для стимуляции дифференцировки и функционирования остеобластов. Гетерогенность костного мозга также может быть представлена в тканеинженерной костной ткани, но эти модели предполагают использование иммунокомпрометированных животных для получения функционально сконструированного костного мозга с целью производства клеток крови.

Кроме того, существующие мышиные модели неэффективны при спонтанной демонстрации метастазирования в кости, что затрудняет выяснение механизмов, лежащих в основе метастазирования из первичных очагов во вторичные. Полезны как эктопические, так и ортотопические модели. Хотя эктопические модели позволяют ответить на вопросы, связанные с эффективностью препаратов против метастатического рака, костная микросреда мыши отличается от костной ткани человека, что создает трудности для клинического применения. Появление более сложных тканеинженерных моделей позволит понять механизмы костного метастазирования и даже метастазирования из кости в другие ткани.

к) Перспективы на будущее. Тканеинженерные модели костных метастазов — это новый подход к улучшению понимания развития заболевания и этапов метастатической прогрессии. Такие модели позволят выявить новые лекарственные мишени для борьбы с метастазами и ускорить разработку лекарственных препаратов путем тестирования терапевтических мишеней, предпочтительно с высокой пропускной способностью. Кроме того, тканевая инженерия позволяет создавать ткани из клеток пациента, что приводит к специфической для пациента реакции на терапию, что в свою очередь облегчает разработку усовершенствованных планов лечения и достижение лучших клинических результатов.

Тканеинженерные модели решают многие проблемы, связанные с обычными 2D- и 3D-моделями культур и доклиническими мышиными моделями метастазов в кости. 2D-моделям не хватает пространственной организации и сложности, они неадекватно представляют микросреду кости, но при этом они наиболее удобны для мониторинга клеточного ответа. 3D-модели in vitro обеспечивают улучшенное взаимодействие клеток с клетками по сравнению с 2D-моделями, но характеристики микросреды сконструированной ткани являются ключевыми. Модели «орган-на-чипе» позволяют улучшить взаимодействие между органами для изучения метастазирования и лекарственной токсичности и обладают наибольшим потенциалом воспроизводимости.

Однако остаются серьезные проблемы, связанные с широким доступом исследовательского сообщества к таким технологиям, а также с выращиванием функциональных микротканей, отражающих поведение органов. Наконец, модели in vivo дают возможность изучать рост и метастазирование рака в иммунологически настроенном организме, однако видовые различия препятствуют клиническому воспроизведению многих открытий, сделанных на мышах. В табл. 1 приведено сравнение различных моделей и показано, как ключевые аспекты обеспечиваются каждым типом модели. Выбор тканевой модели в значительной степени зависит от имеющихся ресурсов и конкретного рассматриваемого вопроса исследования.

Несмотря на то что наши знания о биологии, лежащей в основе костного метастазирования, обогатились, по-прежнему существует острая необходимость в понимании механики продвижения раковых клеток из первичного очага во вторичный в костном микроокружении. Кроме того, разработка более эффективного скрининга лекарственных препаратов может позволить использовать персонализированный подход к клиническому лечению случаев костного метастазирования. Это потенциально может улучшить результаты и повысить показатели выживаемости.

- Читать далее "Биология боли при опухолевом поражении кости - по руководству США"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 12.8.2026