Det finns många mekanismer genom vilka kroppen reagerar på främmande inkräktare. En av dessa involverar immunsystemets T-celler, som har ett antal olika proteiner på sin yta som kallas "kontrollpunktsproteiner". Dessa checkpointproteiner binder till proteiner på ytan av andra celler och kan resultera i antingen stimulering eller undertryckande av T-cellsaktivitet. I vanliga fall, ytproteiner på främmande eller invaderande celler kommer att producera en stimulering av T-cellsaktivitet mot dessa celler, medan T-cellsdämpning är en inbyggd mekanism för att förhindra immunförsvaret från att angripa kroppens egna normala celler.

Tumörceller, dock, kan ibland överlista immunsystemet genom att visa ytproteiner som binder till T-cells checkpoint-proteiner för att orsaka undertryckande av T-cellsaktivitet. I vissa fall, interaktion av dessa tumörytproteiner med T-celler får till och med T-cellerna att brista. På senare år har forskare har försökt utveckla "checkpoint-inhibitor"-läkemedel som kommer att motverka dessa undertryckande checkpoint-interaktioner för att återaktivera kroppens immunsvar mot tumörceller. Ett av dessa läkemedel är U.S. FDA godkänd för att behandla metastaserande melanom; andra är tillgängliga eller under utveckling för att behandla andra maligniteter.

Trots dessa framsteg, dock, det är fortfarande svårt att avgöra vilka cancerpatienter som sannolikt är kandidater för denna typ av terapi och vilka läkemedel som har störst potential. Att utveckla en metod för att hantera dessa utmaningar skulle vara avgörande för att fastställa den säkraste, mest effektiva läkemedel för cancerpatienter samtidigt som man sparar tid och pengar i processen. För att en sådan metod ska vara praktisk för klinisk användning, det bör kunna uppnå snabba tester av ett stort antal potentiella immunterapiläkemedel mot levande tumörceller för exakta, lätt analyserbar data.

Ett samarbetsteam från Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) har framgångsrikt designat och testat ett sådant system. De började med att odla sfäriska aggregat av bröstcancerceller i en specialtillverkad, 3D-utskriven, transparent chip med koniska mikrobrunnar. Dessa mikrobrunnar designades för optimal tillväxt och stabilitet hos de cellulära sfärerna. Tester utförda på mikrobrunnarnas cellulära sfärer bekräftade cellernas livsduglighet och deras produktion av T-cellsdeaktiverande ytproteiner.

"Egenskaperna hos vårt mikrobrunnsbaserade chip är nyckeln till vår framgångsrika utveckling av en immunoaktiv vävnadsmodell, sa Wujin Sun, Ph.D., från Terasaki Institutes team. "Chipets transparens möjliggör direkt mikroskopisk observation. Och dess design möjliggör testning i hög volym, som lämpar sig väl för snabb screening av immunterapeutiska läkemedel."

För att testa effektiviteten av checkpoint-hämmande läkemedel för att aktivera T-cellers antitumörsvar, teamet övervägde sedan hur en T-cell normalt beter sig under aktivering. När en T-cell stimuleras att attackera cellulära inkräktare, det utsöndrar proteiner som kallas cytokiner, som mobiliserar andra immunceller till invasionsplatsen och stimulerar cellerna att föröka sig och förstöra inkräktarna. Mätning av dessa cytokiner kan därför indikera nivån av en T-cells aktivering.

Teamet skapade sedan en effektiv, automatiserat system för att mäta cytokinnivåer med hjälp av deras bröstcancerfyllda mikrobrunnschip. Experiment med detta system utfördes med användning av anti-checkpoint proteinläkemedel; resultaten visade att vid inkubation av bröstcancercellerna med T-cellerna, cytokinproduktionen ökade genom användningen av läkemedlen, demonstrerar deras effektivitet i att aktivera T-cellerna.

Ett annat sätt som teamet använde sitt bröstcancerchip på var att bedöma bröstcancercellernas effekt på stimulerade T-celler. T-cellerna märktes fluorescerande och sattes till bröstcancercellerna i mikrobrunnarna; chipets transparens möjliggjorde direkt observation av deras cellulära interaktion med hjälp av fluorescerande mikroskopi. Dessa bröstcancerceller orsakar normalt brott på T-cellerna, men experiment som utfördes med checkpoint-hämmande läkemedel visade att läkemedlen ökade T-cellernas livsduglighet i kulturerna, visuellt demonstrera hur de kan motverka effekterna av T-cellsruptur genom interaktion med tumörceller.

Bröstcancerchippet användes också för direkt observation av hur T-cellerna infiltrerade bröstcancercellsfärerna; denna typ av infiltration är ett mått på en T-cells antitumöraktivitet och livsduglighet. Efter att ha märkt varje grupp av celler med separata färgämnen och blandat dem i chipets mikrobrunnar, T-cellsinfiltration kan direkt visualiseras med hjälp av högupplöst fluorescensmikroskopi. Experiment utförda med checkpoint-hämmande läkemedel visade att det fanns ett ökat antal T-celler och djupare penetration i bröstcancercellerna i närvaro av läkemedlen.

Sammanfattningsvis, TIBI-forskarna kunde designa robusta och effektiva metoder för att karakterisera interaktionen mellan tumör- och immunceller och för snabba, höga volymer och kliniskt relevanta sätt att screena immunterapeutiska läkemedel mot tumörceller. Mikrobrunnschippet och dess relaterade apparat kan också användas för att inkludera andra typer av tumörceller och individuella patientceller för att optimera patientens svar och för att screena och utveckla ytterligare läkemedel mot cancer.

"Att ta med sätt att optimera kliniska beslut och personlig medicin för patienter är ett av de främsta målen på vårt institut, sa Ali Khademhosseini, Ph.D., direktör och VD för Terasaki Institute. "Detta arbete är ett viktigt steg mot att uppnå det målet inom området cancerimmunterapi."