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用类器官模拟癌症中的细胞通信—让复杂变得简单

细胞之间的同型和异型相互作用在多细胞生物中对于维持生理功能至关重要,包括胚胎发育、神经传递、伤口愈合和炎症。单个细胞可以通过多种方式与异质细胞群相互作用,即通过物理接触、配体-受体相互作用、细胞连接或通过分泌介质。细胞外微环境的非细胞成分为这一现象增加了另一层复杂性。事实上,细胞外基质(ECM)除了为器官、组织和单个细胞提供机械支持外,还具有许多功能。它的降解和重组调节细胞增殖、分化、存活和迁移。


细胞通讯过程及其调控在癌症进展中具有重要意义,癌细胞与各种非癌细胞相互作用和通讯,包括正常上皮细胞、免疫细胞、内皮细胞和成纤维细胞,它们共同构成了肿瘤微环境(TME)。有证据表明,细胞间通讯系统的主要作用涉及细胞外囊泡(EVs)介导的生物活性分子,可以极大地改变受体细胞的细胞行为。就目前而言,在对癌症进行建模时,需要考虑 TME 中发生的复杂相互作用。

在细胞培养技术和 EVs 分离方法的最新进展的推动下,意大利维罗纳大学诊断与公共卫生系、医学系课题组的一项研究探讨了下一代培养系统,特别是类器官,如何成为帮助建模细胞间通信的有前途的工具。最后强调了研究人员在类器官培养方面仍面临的一些挑战,包括缺乏标准化的 ECM 和用于支持类器官形成和扩张的培养基。


肿瘤类器官共培养模型与 TME 的相互作用


器官型培养物,如 2D 细胞系,通常仅包含一种代表肿瘤上皮的细胞类型,因此缺乏多细胞代表的 TME 。这一限制可以通过患者来源的肿瘤类器官与多种细胞类型的共培养来部分解决,包括患者来源的免疫细胞或癌症相关成纤维细胞(CAFs)(图1 A)。3D 共培养系统提供了一种很有前途的工具来模拟肿瘤细胞与构成 TME 的其他细胞之间的相互作用。

用类器官模拟癌症中的细胞通信—让复杂变得简单

图1 共培养平台。

(A)肿瘤类器官以及不同非肿瘤细胞类型的培养物可以从同一患者身上建立,并用于模拟细胞间相互作用。
(B)经典的共培养平台,其中类器官和 CAFs 嵌入同一滴基底膜基质中。
(C)Transwell 共培养系统,其中有机体嵌入在 transwell 插入物顶部的基质中,CAFs 为单层培养。
(D)嵌入基底膜基质中的类器官-CAFs 聚集体。
(E)在基底膜基质预涂层孔上嵌入富含层粘连蛋白的类器官-CAF 聚集体。
(F)类器官和外周血淋巴细胞共培养,类器官嵌入 Geltrex 基质中,而淋巴细胞则悬浮在培养基中。
(G)空气-液体界面共培养系统、患者来源的巨噬细胞、T 细胞、CAFs和癌细胞嵌入在 I 型胶原蛋白中。


与 CAFs 的共培养

CAFs 通过多种机制影响肿瘤的生长和转移。通过基质合成和重塑,它们可以调节 ECM 刚度和缺氧,从而促进肿瘤细胞的迁移和侵袭。通过分泌分子,例如生长因子、细胞因子、趋化因子和 microRNAs(miRNAs),CAFs 支持肿瘤生长并诱导对治疗的耐药性。

胰腺癌类器官例证了一种可以用来模拟癌细胞和 CAFs 之间相互作用的培养系统。Ohlund 等人开发了一种共培养系统,能够再现在患者中观察到的结缔组织形成反应的一些特征。他们证明了两个 CAFs 亚群的存在,它们在肿瘤组织中存在差异并显示出不同的表型。这些群体被定义为肌成纤维细胞(myCAFs),靠近肿瘤细胞并以高水平的 α-SMA 为特征,以及作为促炎性 CAFs(iCAFs),其位于远离癌细胞且具有 α-SMA 低表达和 IL-6 的高表达。

使用两种不同类型的共培养,他们证明了使用体外系统建模 CAFs 亚型的可能性。当癌细胞和成纤维细胞一起嵌入基底膜基质中时(图1 B),这种密切接触诱导静态 PSCs 的激活,并获得 myCAFs 表型。当两种细胞类型在物理上分离(图1 C),但共享生长培养基时,出现了 iCAFs 表型。两种共培养方法获得的结果支持了 CAFs 肿瘤内异质性的概念,该数据确定了第三种亚型,称为抗原呈递 CAFs(apCAFs),其特征在于表达 MHC II 类相关基因。

另一种共培养类型已被用来研究 CAFs 在支持胰腺癌类器官生长中的作用。在这项研究中,胰腺类器官和 CAFs 被解离成单个细胞,然后聚集在基质凝胶/胶原混合物中转移(图1 D)。与这些发现一致,前列腺类器官和基质的 3D 共培养模型增强了类器官的形成,并诱导了类器官的形态从单一培养中的球形到共培养中的分支腺泡结构的变化,更类似于在体内观察到的结构。

癌症相关成纤维细胞在乳腺癌中也是一种丰富的非肿瘤细胞类型,它们与肿瘤进展和化疗和靶向治疗的抗性有关。已采用 3D 共培养方法来研究与 CAFs 相互作用对乳腺癌细胞基因表达和细胞代谢改变的影响。用一层薄薄的基底膜基质预涂板后,两种细胞类型在富含层粘连蛋白的 ECM 上聚集和培养(图1 E)。该方法揭示了 CAFs 在减弱拉帕替尼(一种用于治疗乳腺癌的酪氨酸激酶抑制剂)在上皮细胞中积累的作用。


与免疫细胞的共培养

免疫细胞在 TME 中具有相反的功能。先天性和适应性免疫系统都对 TME 产生影响,反过来又受到 TME 的影响。巨噬细胞是先天免疫系统吞噬细胞,具有促肿瘤或抗肿瘤活性。适应性免疫细胞,如 CD8+ T 细胞,也受到 TME 的影响。CD8+ T 细胞是抗肿瘤免疫的主要参与者。

肿瘤类器官和外周血淋巴细胞的共培养(图1 F)允许肿瘤反应性 T 细胞扩增,这些 T 细胞能够杀死肿瘤类器官,但不能杀死来自健康组织的类器官。该平台允许研究肿瘤和 T 细胞的相互作用,并有可能以个性化的方式揭示对免疫治疗的敏感性或抗性的决定因素。

此外,一种独特的基于 ALI(气液交界面)系统培养的共培养方法允许患者衍生的类器官和肿瘤浸润淋巴细胞的增殖。在这个系统中,切碎的肿瘤组织被重新悬浮在 I 型胶原蛋白中,并铺在预涂有胶原蛋白基质的可渗透插入物上(图1 G)。ALI 培养系统被发现可以保存原生基质种群,包括成纤维细胞、巨噬细胞和淋巴细胞,长达 2 个月。



类器官系统面临的挑战

与传统的单层培养物相比,类器官是与起源组织具有更高相似度的体外系统。通过共培养系统整合不同类型的细胞可能有助于模拟体内观察到的细胞间相互作用。然而,除了系统提供的明显优势之外,还有一些挑战需要解决。

首先,上皮类器官培养物通常需要在允许形成 3D 结构并维持其增殖的基质中生长。最常用的基质是生物衍生材料,例如鼠尾胶原蛋白I 和基底膜基质。动物源性基质在成分和结构方面存在批次间差异,不适合临床应用。

类器官系统的另一个关键方面是优化培养基的配方,该培养基包含类器官的建立和长期培养所必需的生态因子。


总之,该研究讨论了使用类器官来模拟癌症和非癌细胞之间相互作用的潜力,以揭示与癌症发生和进展有关的生物学机制,这可能为这些疾病确定新的干预策略。


参考文献:Fiorini E, Veghini L, Corbo V. Modeling Cell Communication in Cancer With Organoids: Making the Complex Simple. Front Cell Dev Biol. 2020 Mar 18;8:166. doi: 10.3389/fcell.2020.00166. PMID: 32258040; PMCID: PMC7094029.
原文链接:https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32258040/

图片来源:所有图片均来源于参考文献

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