Naukowcy z Uniwersytetu w Linköping i Politechniki Mediolańskiej opracowali miniaturowy model raka głowy i szyi, który pozwala obserwować interakcje komórek nowotworowych z naczyniami krwionośnymi, nerwami i otaczającymi tkankami. Technologia „narząd na chipie” ujawniła, że skład mikrośrodowiska guza wpływa na jego wzrost, inwazyjność oraz odpowiedź na chemioterapię. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS).
Z tego artykułu dowiesz się…
- Czym jest technologia „narząd na chipie” i jak umożliwia badanie rozwoju nowotworów w warunkach laboratoryjnych.
- Jak naukowcy z Uniwersytetu w Linköping i Politechniki Mediolańskiej odtworzyli mikrośrodowisko raka głowy i szyi.
- W jaki sposób nerwy, naczynia krwionośne i macierz zewnątrzkomórkowa wpływają na wzrost guza oraz jego odpowiedź na chemioterapię.
- Jak technologia organ-on-chip może wspierać rozwój nowych leków przeciwnowotworowych i badania nad skutecznością leczenia.
Narząd na chipie – nowy model do badania nowotworów
Rozwój nowotworu zależy nie tylko od właściwości komórek nowotworowych, lecz także od ich interakcji z otaczającymi strukturami. Naczynia krwionośne, nerwy i macierz zewnątrzkomórkowa tworzą mikrośrodowisko, które może wpływać na wzrost guza, jego zdolność do naciekania tkanek oraz odpowiedź na leczenie.
Aby dokładniej poznać te mechanizmy, naukowcy ze szwedzkiego Uniwersytetu w Linköping i włoskiej Politechniki Mediolańskiej opracowali trójwymiarowy model płaskonabłonkowego raka głowy i szyi, wykorzystujący technologię organ-on-chip. Miniaturowy układ, wielkości zbliżonej do znaczka pocztowego, umożliwia jednoczesną hodowlę komórek nowotworowych, struktur naczyniowych i nerwowych. Dzięki temu badacze mogą analizować zachowanie guza w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.
Jak wyjaśnia Pierfrancesco Pagella z Uniwersytetu w Linköping, kierujący badaniem:
Zamiast przeprowadzać badania na zwierzętach lub testować potencjalne leki na ludziach, chcemy móc przeprowadzać testy w pojedynczym mikrosystemie w laboratorium. Jeśli chcemy zrozumieć, dlaczego guz rośnie, rozprzestrzenia się, powoduje ból lub jest oporny na leczenie, potrzebujemy modeli, które mogą odtworzyć interakcje między guzem a jego otoczeniem.
Macierz zewnątrzkomórkowa wpływa na zachowanie komórek raka
Pierwszym etapem opracowania modelu było odtworzenie macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM), czyli sieci białek i innych cząsteczek otaczających komórki w organizmie. Naukowcy stworzyli biomateriał zawierający kwas hialuronowy, kolagen i lamininy, które stanowią istotne składniki naturalnej ECM.
Eksperymenty wykazały, że skład tej struktury znacząco zmieniał zachowanie komórek nowotworowych. W zależności od właściwości otaczającego materiału komórki wykazywały odmienną aktywność i reakcję na leczenie. Odkrycie wskazuje, że odpowiedni dobór macierzy zewnątrzkomórkowej ma kluczowe znaczenie dla wiarygodności laboratoryjnych modeli nowotworów.
Komórki nowotworowe atakowały naczynia krwionośne
W kolejnym etapie badacze wprowadzili do układu struktury przypominające naczynia krwionośne. Naczynia odgrywają istotną rolę w rozwoju nowotworów, ponieważ dostarczają tlen i składniki odżywcze, a jednocześnie mogą stanowić drogę rozprzestrzeniania się komórek nowotworowych. W eksperymencie zaobserwowano, że komórki raka przemieszczały się w kierunku pobliskich naczyń i zaczynały je naciekać. Pierfrancesco Pagella podkreśla:
Zaobserwowaliśmy, że komórki nowotworowe zareagowały na pobliskie naczynie krwionośne, szybko się do niego zbliżyły i zaatakowały je, co stanowi pierwszy etap rozprzestrzeniania się guza. Jednak komórki zachowywały się bardzo różnie w zależności od otaczającego je materiału.
Wyniki pokazują, że mikrośrodowisko może regulować procesy związane z inwazyjnością nowotworu.
Skuteczność cisplatyny zależała od otoczenia guza
Naukowcy wykorzystali również odtworzone naczynia do podania cisplatyny – leku cytostatycznego stosowanego m.in. w leczeniu nowotworów głowy i szyi. Okazało się, że zdolność cisplatyny do niszczenia komórek nowotworowych różniła się w zależności od składu macierzy zewnątrzkomórkowej. Oznacza to, że właściwości otaczających tkanek mogą wpływać na odpowiedź guza na chemioterapię. Wyniki podkreślają znaczenie uwzględniania mikrośrodowiska podczas przedklinicznej oceny nowych metod leczenia.
Nerwy mogą zmieniać sposób rozwoju nowotworu
Ostatnim etapem eksperymentu było wprowadzenie do modelu struktur nerwowych. Naukowcy wykorzystali komórki macierzyste do odtworzenia zwojów nerwu trójdzielnego, odpowiedzialnego m.in. za przewodzenie bodźców czuciowych i bólowych z obszaru twarzy oraz jamy ustnej. W ciągu kilku dni włókna nerwowe rozrosły się wokół komórek nowotworowych. Co interesujące, obecność nerwów wiązała się z ograniczeniem naciekania naczyń krwionośnych, ale jednocześnie guzy nadal rosły.
Jak wyjaśnia Pierfrancesco Pagella:
W naszym trójwymiarowym systemie zaobserwowaliśmy, że guzy mające kontakt z nerwami rzadziej naciekały naczynia krwionośne, ale jednocześnie rosły. Nasz model pozwala nam badać nerwy jako aktywny element mikrośrodowiska guza. Jest to szczególnie interesujące w przypadku raka głowy i szyi, gdzie nerwy biorą udział zarówno w regulacji zachowania i agresywności guza, jak i w bólu związanym z rakiem.
Odkrycie sugeruje, że układ nerwowy może odgrywać bardziej złożoną rolę w biologii nowotworów, niż wynikałoby to wyłącznie z jego udziału w przewodzeniu bólu.
Czy narządy na chipie zmienią badania nad rakiem?
Autorzy publikacji wskazują, że opracowany model można potencjalnie dostosować do innych guzów litych, w których istotną rolę odgrywają interakcje z naczyniami, nerwami i otaczającymi tkankami. Technologia może w przyszłości wspierać badania przesiewowe nowych leków, ocenę odpowiedzi na leczenie oraz analizę mechanizmów progresji nowotworów.
Jednocześnie jest to rozwiązanie przedkliniczne. Zanim znajdzie zastosowanie w rutynowej diagnostyce lub doborze terapii, konieczna będzie dalsza walidacja modelu.
Główne wnioski
- Naukowcy z Uniwersytetu w Linköping i Politechniki Mediolańskiej opracowali trójwymiarowy model raka głowy i szyi na chipie. Miniaturowy układ pozwala badać interakcje komórek nowotworowych z nerwami, naczyniami krwionośnymi i otaczającymi tkankami.
- Mikrośrodowisko guza wpływa na jego inwazyjność i odpowiedź na chemioterapię. Badacze wykazali, że skład macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) zmieniał zachowanie komórek nowotworowych oraz skuteczność działania cisplatyny.
- Obecność nerwów zmieniała zachowanie komórek nowotworowych. Guzy mające kontakt z włóknami nerwowymi rzadziej naciekały naczynia krwionośne, choć nadal rosły. Wyniki wskazują na złożoną rolę unerwienia w rozwoju raka głowy i szyi.
- Technologia organ-on-chip może usprawnić przedkliniczne badania nad nowotworami. Model opisany w czasopiśmie „PNAS” umożliwia analizę interakcji guza z otoczeniem i może w przyszłości wspierać testowanie leków oraz ocenę odpowiedzi na leczenie.
Źródło:
- https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2602541123
- Linköping University
