Een geïllustreerde microscoopweergave van een 3D-cultuur van kankercellen. Een kankercel genereert krachten (in het rood) die het weefselmateriaal verder verplaatsen. De nieuwe techniek detecteert de materiële beweging om cellulaire krachten te berekenen. Krediet: Juho Pokki/Aalto University
Onderzoek naar hoe kankers groeien en zich verspreiden is conventioneel gedaan op tweedimensionale, platte celculturen, wat heel anders is dan de driedimensionale structuur van cellen in het lichaam. Er zijn 3D-celculturen ontwikkeld waarin weefselmateriaal is verwerkt, maar de methoden om te meten hoe kankercellen geweld gebruiken om zich te verspreiden, ontbraken.
Nu hebben onderzoekers een nieuwe methode ontwikkeld voor 3D-cultuur om nauwkeurig te kwantificeren hoe kankercellen krachten genereren om zich in weefsel te verspreiden. “We hebben de methode toegepast voor onderzoek naar vroege progressie van borstkanker”, zegt Juho Pokki, een hoofdonderzoeker aan de Aalto University die het onderzoek leidde.
Deze studie, een samenwerking tussen wetenschappers van Aalto University en Stanford University, werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters.
Nanobolletjes meten krachtpulsen die zich ophopen tot sterkere krachten
Een primaire tumor kan zich vormen in het borstkanaal van de borst, waar de kankercellen worden opgesloten door een speciaal membraan, een basaalmembraan genoemd. Borstkankercellen zijn groter dan de poriën in deze membranen, dus ze moeten doorbreken om zich naar andere weefsels te verspreiden. Eerder dachten onderzoekers dat cellen enzymen gebruiken om membranen op te lossen, maar nu wordt begrepen dat borstkankercellen een ander mechanisme gebruiken waarbij cellulaire uitsteeksels door de membranen gaan.
“In dit mechanisme gebruiken borstkankercellen krachten die door de uitsteeksels worden gegenereerd om kanalen in het membraanmateriaal te openen. Vervolgens komen de kankercellen het omringende weefsel binnen en kunnen ze verder reizen naar bloedvaten om zich naar de rest van het lichaam te verspreiden. , zijn de bloedvaten ook omgeven door een basaalmembraan. Borstkankercellen gebruiken mogelijk een soortgelijk mechanisme om door te breken in die basaalmembranen”, legt Pokki uit. “De groep van professor Ovijit Chaudhuri aan Stanford vond dit uitsteekselmechanisme oorspronkelijk in 2018. Samenwerking met zijn groep was de sleutel voor de fysiologische betekenis van dit werk”, zegt Pokki.
Een nieuwe techniek meet krachten die door kankercellen worden gegenereerd met een biologische microscoop die biocompatibele bolletjes in het weefselmateriaal detecteert. Cellulaire krachten worden berekend met behulp van informatie over twee soorten bollen, een die beweging op nanoschaal detecteert en een andere die mechanische eigenschappen meet. De techniek laat zien dat kankercellen stapsgewijs krachten genereren, en de krachten stapelen zich op in het weefselmateriaal rond een borstkankertumor. Krediet: Juho Pokki/Aalto University
De nieuwe studie maakt gebruik van 3D-celculturen die zijn samengesteld uit borstkankercellen en standaard basismembraanmateriaal. Binnen de 3D-culturen hebben onderzoekers twee soorten biocompatibele bollen ingebed: één type bewoog mee met krachten die door kankercellen worden gegenereerd, en het andere type meet krachtbeperkende mechanica. Een aangepaste fluorescentiemicroscoop werd gebruikt om video’s van deze bollen te maken en ze op nanoschaal te volgen.
Hierdoor konden de onderzoekers de krachtpulsen van kankercellen meten. “Eerdere studies hadden de beweging van cellulaire uitsteeksels over langere perioden gemeten, maar onze studie toonde aan dat er veel kan gebeuren in slechts 15 minuten. We zagen beweging op nanoschaal en krachtpulsen binnen een paar seconden, wat verrassend is. Verder stapelen deze pulsen zich op , wat resulteert in sterkere krachten die op het membraanmateriaal worden uitgeoefend”, zegt Pokki.
“Dit is momenteel de meest nauwkeurige methode om te meten hoe cellulaire krachten worden gegenereerd in 3D-cultuur”, voegt Pokki toe.
Naar een efficiëntere en gepersonaliseerde medicijnontwikkeling
Borstkanker is wereldwijd de meest voorkomende vorm van kanker bij vrouwen. Alleen al in de Europese Unie wordt elk jaar bij meer dan 350.000 vrouwen borstkanker vastgesteld.
Het ontwikkelen van medicatie tegen borstkanker is kostbaar, traag en vaak inefficiënt, aangezien minder dan 5% van de kandidaat-geneesmiddelen die worden geselecteerd met behulp van 2D-celculturen en dierproeven effectief blijken te zijn in klinische proeven bij mensen.
“Onze methoden leveren nauwkeurigere computationele gegevens over cellulaire krachten tijdens invasie door borstkankercellen. Onze groep combineert de methoden met microscopietechnologie om experimenten op het gebied van 3D-celcultuur beter reproduceerbaar te maken. Ik denk dat technologische ontwikkelingen uiteindelijk het preklinisch onderzoek zullen stimuleren We zijn al een gerelateerd project gestart op het gebied van gepersonaliseerde kankergeneeskunde”, onthult Pokki.
Luka Sikic et al, Tracking op nanoschaal gecombineerd met microrheologie op celschaal onthult stapsgewijze toename van kracht gegenereerd door uitsteeksels van kankercellen, Nano-letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolet.2c01327
Nano-letters
Geleverd door Aalto University
