Исследователи из Тель-Авивского университета распечатали всю активную и жизнеспособную опухоль глиобластомы с помощью 3D-принтера. Опухоль с трехмерной биопечатью включает сложную систему трубок, похожих на кровеносные сосуды, по которым могут течь клетки крови и лекарства, имитируя настоящую опухоль.
Исследование возглавил профессор Ронит Сатчи-Файнаро. Новую технологию разработал к.т.н. студентка Лена Нойфельд вместе с другими исследователями лаборатории профессора Сатчи-Файнаро.
3D-модели с биопечатью основаны на образцах пациентов, взятых непосредственно из операционных в Тель-Авивском медицинском центре Сураски. Результаты нового исследования были опубликованы сегодня в журнале Science Advances .
«Глиобластома - это самый смертоносный рак центральной нервной системы, на который приходится большинство злокачественных новообразований головного мозга», - говорит профессор Сатчи-Файнаро. «В предыдущем исследовании мы определили белок под названием P-Selectin, который образуется, когда раковые клетки глиобластомысталкиваются с микроглией - клетками иммунной системы мозга. Мы обнаружили, что этот белок отвечает за сбой в микроглии, заставляя ее поддерживать, а не атаковать смертельные раковые клетки, помогая раку распространяться. Однако мы идентифицировали белок в опухолях, удаленных во время операции, но не в клетках глиобластомы, выращенных на 2D пластиковых чашках Петри в нашей лаборатории. Причина в том, что рак, как и все ткани, на пластиковой поверхности ведет себя совсем иначе, чем в организме человека. Примерно 90% всех экспериментальных препаратов терпят неудачу на клинической стадии, потому что успех, достигнутый в лаборатории, не воспроизводится на пациентах ».
Микроскопическое изображение 3D-биопечати модели глиобластомы. Предоставлено: Тель-Авивский университет.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа под руководством профессора Сатчи-Файнаро и доктора философии Студентка Лена Нойфельд, получившая престижную стипендию Дэна Дэвида, создала первую трехмерную биопринтованную модель опухоли глиобластомы , которая включает трехмерную раковую ткань, окруженную внеклеточным матриксом , который взаимодействует с его микросредой через функциональные кровеносные сосуды.
«Дело не только в раковых клетках», - объясняет профессор Сатчи-Файнаро. «Это также клетки микросреды в головном мозге; астроциты, микроглия и кровеносные сосуды, связанные с микрофлюидной системой, а именно с системой, позволяющей нам доставлять такие вещества, как клетки крови.и лекарства к аналогу опухоли. Каждая модель печатается в биореакторе, который мы разработали в лаборатории, с использованием гидрогеля, взятого и воспроизведенного из внеклеточного матрикса, взятого у пациента, тем самым имитируя саму ткань. Физические и механические свойства мозга отличаются от свойств других органов, таких как кожа, грудь или кости. Ткань груди состоит в основном из жира, костная ткань - из кальция; каждая ткань имеет свои собственные свойства, которые влияют на поведение раковых клеток и их реакцию на лекарства. Выращивание всех типов рака на идентичных пластиковых поверхностях не является оптимальным моделированием клинических условий ".
Предоставлено: Вероника Хьюз, доктор философии по визуализации STEAM.
После успешной печати 3D-опухоли профессор Сатчи-Файнаро и ее коллеги продемонстрировали, что в отличие от раковых клеток, растущих на чашках Петри, 3D-модель с биопечатью может быть эффективной для быстрого, надежного и воспроизводимого прогнозирования наиболее подходящего лечения для конкретный пациент.
«Мы доказали, что наша 3D-модель лучше подходит для прогнозирования эффективности лечения, обнаружения целей и разработки лекарств.тремя разными способами. Во-первых, мы протестировали вещество, которое ингибирует недавно обнаруженный нами белок P-Selectin, в культурах клеток глиобластомы, выращенных на двумерных чашках Петри, и не обнаружили разницы в делении и миграции клеток между обработанными клетками и контрольными клетками, которые не получали обработки. . Напротив, как на моделях животных, так и на моделях с 3D-биопринтом мы смогли задержать рост и инвазию глиобластомы, блокируя белок P-Selectin. Этот эксперимент показал нам, почему потенциально эффективные лекарства редко попадают в клинику просто потому, что они не проходят тесты в 2D-моделях, и наоборот: почему лекарства, считающиеся феноменально успешными в лаборатории, в конечном итоге терпят неудачу в клинических испытаниях. Кроме того, сотрудничая с лабораторией доктора Асафа Мади из отделения патологии медицинского факультета ТАУ, Мы провели генетическое секвенирование раковых клеток, выращенных в 3D-модели с биопечатью, и сравнили их как с раковыми клетками, выращенными на 2D-пластике, так и с раковыми клетками, взятыми у пациентов. Таким образом, мы продемонстрировали гораздо большее сходство между опухолями с 3D-биопринтом и клетками глиобластомы, полученными от пациентов, выросшими вместе со стромальными клетками мозга в их естественной среде. Со временем раковые клетки, выращенные на пластике, значительно изменились, в конечном итоге утратив всякое сходство с раковыми клетками в образце опухоли головного мозга пациента. Третье доказательство было получено путем измерения скорости роста опухоли. Глиобластома - агрессивное заболевание, отчасти потому, что оно непредсказуемо: когда гетерогенные раковые клетки вводятся отдельно модельным животным, у одних рак остается в спящем состоянии, в то время как у других быстро развивается активная опухоль. Это имеет смысл, потому что мы, люди, можем спокойно умереть от старости, даже не подозревая, что у нас есть такие спящие опухоли. Однако на чашке в лаборатории все опухоли растут с одинаковой скоростью и с одинаковой скоростью распространяются. В нашей опухоли с 3D-биопринтом гетерогенность сохраняется, а развитие аналогично широкому спектру, который мы наблюдаем у пациентов или моделей на животных ».
Демонстрация 3D-печати опухоли в микросреде мозга по компьютерной 3D-модели. Предоставлено: Тель-Авивский университет.
По словам профессора Сатчи-Файнаро, этот инновационный подход также позволит разрабатывать новые лекарства, а также открывать новые мишени для лекарств - гораздо быстрее, чем сегодня. Надеемся, что в будущем эта технология упростит персонализированную медицину для пациентов.
«Если мы возьмем образец ткани пациента вместе с его внеклеточным матриксом, мы сможем 3D-биопечать из этого образца 100 крошечных опухолей и протестировать множество различных препаратов в различных комбинациях, чтобы найти оптимальное лечение для этой конкретной опухоли. С другой стороны, мы можем протестировать многочисленные соединения на опухоли с 3D-биопринтом и решить, какое из них наиболее многообещающее для дальнейшей разработки и инвестиций в качестве потенциального лекарства. Но, пожалуй, самым захватывающим аспектом является обнаружение новых лекарственных белков-мишеней и генов при раке.клетки - очень сложная задача, когда опухоль находится внутри мозга пациента-человека или модельного животного. Наша инновация дает нам беспрецедентный доступ без ограничений по времени к трехмерным опухолям, лучше имитирующим клинический сценарий, что позволяет проводить оптимальные исследования ».
