En illustrerad mikroskopvy av en 3D-kultur av cancerceller. En cancercell genererar krafter (i rött) som flyttar vävnadsmaterialet längre. Den nya tekniken detekterar materialrörelsen för att beräkna cellulära krafter. Kredit:Juho Pokki/Aalto University
Att forska om hur cancer växer och sprids har konventionellt gjorts på tvådimensionella, platta cellkulturer, vilket skiljer sig mycket från den tredimensionella strukturen hos celler i kroppen. 3D-cellkulturer som innehåller vävnadsmaterial har utvecklats, men metoderna för att mäta hur cancerceller använder kraft för att sprida sig har saknats.
Nu har forskare utvecklat en ny metod för 3D-odling för att exakt kvantifiera hur cancerceller genererar krafter för att spridas i vävnad. "Vi har tillämpat metoden för att undersöka tidig progression av bröstcancer", säger Juho Pokki, huvudutredare vid Aalto-universitetet som ledde forskningen.
Denna studie, ett samarbete mellan forskare vid Aalto University och Stanford University, publicerades i tidskriften Nano Letters .
Nanosfärer mäter kraftpulser som ackumuleras till starkare krafter
En primär tumör kan bildas inuti bröstets bröstkanal, där cancercellerna är begränsade av ett speciellt membran, kallat basalmembran. Bröstcancerceller är större än porerna i dessa membran, så de måste bryta igenom för att spridas till andra vävnader. Tidigare trodde forskare att celler använder enzymer för att lösa upp membran, men nu är det underförstått att bröstcancerceller använder en annan mekanism som involverar cellulära utsprång för att passera genom membranen.
"I den här mekanismen använder bröstcancerceller krafter som genereras av utsprången för att öppna upp kanaler i membranmaterialet. Sedan kommer cancercellerna in i den omgivande vävnaden och kan resa vidare till blodkärlen för att spridas till resten av kroppen. , är blodkärlen också omgivna av ett basalmembran. Bröstcancerceller använder potentiellt en liknande mekanism för att bryta igenom i dessa basalmembran", förklarar Pokki. "Professor Ovijit Chaudhuris grupp vid Stanford hittade ursprungligen den här utskjutningsmekanismen 2018. Samarbete med hans grupp har varit nyckeln till den fysiologiska betydelsen av detta arbete", säger Pokki.
En ny teknik mäter krafter som genereras av cancerceller med ett biologiskt mikroskop som upptäcker biokompatibla sfärer i vävnadsmaterialet. Cellulära krafter beräknas med hjälp av information om två sfärtyper, en som detekterar rörelse i nanoskala och en annan som mäter mekaniska egenskaper. Tekniken avslöjar att cancerceller genererar krafter på ett stegvis sätt, och krafterna samlas i vävnadsmaterialet som omger en bröstcancertumör. Kredit:Juho Pokki/Aalto University
Den nya studien använder 3D-cellkulturer som består av bröstcancerceller och standardbasalmembranmaterial. Inom 3D-kulturerna bäddade forskare in två typer av biokompatibla sfärer:en typ rörde sig tillsammans med krafter som genererades av cancerceller, och den andra typen mätte kraftbegränsande mekanik. Ett modifierat fluorescensmikroskop användes för att ta videor av dessa sfärer och spåra dem i nanoskala.
Detta gjorde det möjligt för forskarna att mäta kraftpulserna som kommer från cancerceller. "Tidigare studier hade mätt rörelse av cellulära utsprång under längre tidsperioder, men vår studie visade att mycket kan hända på bara 15 minuter. Vi såg nanoskaliga rörelser och kraftpulser inom några sekunder, vilket är uppseendeväckande. Dessutom ackumuleras dessa pulser , vilket resulterar i starkare krafter som appliceras på membranmaterialet", säger Pokki.
"Detta är för närvarande den mest exakta metoden för att mäta hur cellulära krafter genereras i 3D-kultur", tillägger Pokki.
Mot effektivare och personligare läkemedelsutveckling
Bröstcancer är den vanligaste cancerformen för kvinnor globalt. Varje år diagnostiseras mer än 350 000 kvinnor med bröstcancer bara i Europeiska unionen.
Att utveckla läkemedel mot bröstcancer är kostsamt, långsamt och ofta ineffektivt, eftersom färre än 5 % av läkemedelskandidaterna som väljs ut med hjälp av 2D-cellkulturer och djurförsök visar sig vara effektiva i kliniska prövningar på människor.
"Våra metoder ger mer exakta beräkningsdata om cellulära krafter under invasion av bröstcancerceller. Vår grupp kombinerar metoderna med mikroskopiteknik för att göra experiment inom området 3D-cellkultur mer reproducerbara. Jag tror att den tekniska utvecklingen så småningom kommer att stärka preklinisk forskning . Vi har redan startat ett relaterat projekt inom området personlig cancermedicin, avslöjar Pokki. + Utforska vidare
