Исследование проводил проф. Ронит Сатчи-Файнаро, медицинский факультет Саклера и школа неврологии Сагола, директор Исследовательского центра биологии рака, руководитель лаборатории исследований рака и наномедицины и директор Инициативы 3D-биопечати Морриса Кана для исследования рака в Тель-Авивском университете. Новую технологию разработала аспирантка Лена Нойфельд вместе с другими исследователями из проф.
Лаборатория Сатчи-Файнаро: Эйлам Йейни, Ноа Райзман, Яэль Штилерман, доктор. Дикла Бен-Шушан, Сабина Поцци, доктор. Галия Тирам, доктор.
Анат Эльдар-Бук и доктор. Ширан Фарбер.
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 проф. Сачи-Файнаро. «В предыдущем исследовании мы идентифицировали белок под названием P-Selectin, который вырабатывается, когда раковые клетки глиобластомы сталкиваются с микроглией – клетками иммунной системы мозга.
Мы обнаружили, что этот белок ответственен за сбой в микроглии, заставляя их 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 не так, как в человеческом теле.
Примерно 90% всех экспериментальных препаратов терпят неудачу на клинической стадии, потому что успех, достигнутый в лаборатории, не воспроизводится на пациентах."
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа во главе с проф.
Сатчи-Файнаро и аспирантка Лена Нойфельд, получившая престижную стипендию Дэна Дэвида, создали первую трехмерную биопринтованную модель опухоли глиобластомы, которая включает трехмерную раковую ткань, окруженную внеклеточным матриксом, которая взаимодействует с ее микросредой через функциональные кровеносные сосуды.
«Дело не только в раковых клетках», – объясняет проф. Сачи-Файнаро. «Это также клетки микросреды в головном мозге; астроциты, микроглия и кровеносные сосуды, связанные с микрофлюидной системой, а именно 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 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."
После успешной печати 3D-опухоли проф. Сатчи-Файнаро и ее коллеги продемонстрировали, что в отличие от раковых клеток, растущих на чашках Петри, трехмерная модель с биопечатью может быть эффективной для быстрого, надежного и воспроизводимого прогнозирования наиболее подходящего лечения для конкретного пациента.
«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 белок, который мы недавно обнаружили, 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 Dr. Асаф Мади из отделения патологии медицинского факультета ТАУ провел генетическое секвенирование раковых клеток, выращенных на 3D-биопринтной модели, 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, полученными с помощью 3D-биопечати, 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 останется в спящем состоянии, в то время как у других активная опухоль будет быстро развиваться.
Это имеет смысл, потому что мы, люди, можем мирно 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 распространяются с одинаковой скоростью. В нашей опухоли с 3D-биопринтом гетерогенность сохраняется, а развитие аналогично широкому спектру, который мы наблюдаем у пациентов или моделей на животных."
По словам проф. 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 будет способствовать персонализированной медицине 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.
В качестве альтернативы, мы можем протестировать многочисленные соединения на опухоли с 3D-биопринтом и решить, какое из них наиболее перспективно для дальнейшей разработки и инвестиций в качестве потенциального лекарства. Но, пожалуй, самым захватывающим аспектом является обнаружение новых белков-мишеней и генов в раковых клетках, которые можно использовать в качестве лекарств, – очень сложная задача, когда опухоль находится внутри мозга пациента-человека или модельного животного.
Наши инновации дают нам беспрецедентный доступ без ограничений по времени к 3D-опухолям, лучше имитирующим клинический сценарий, что позволяет проводить оптимальные исследования."
Исследование финансировалось Фондом Морриса Кана, Европейским исследовательским советом (ERC), Израильским фондом исследований рака (ICRF), Израильской онкологической ассоциацией и Израильским научным фондом (ISF), а также Check Point Software Technologies LTD.