Dans une étude récente publiée dans Scientific Reports, des chercheurs ont développé un modèle imprimé biologiquement en trois dimensions (3D). in vitro modèle du microenvironnement tumoral du cancer du sein (TME) constitué de cellules cultivées simultanément dispersées dans des hydrogels avec une conception contrôlée pour évaluer l’hétérogénéité de la tumeur.
Étude: Hétérogénéité tumorale contrôlée dans un système de co-culture par modèle de tumeur sur puce bio-imprimée en 3D. Crédit d’image : Alex_Traksel/Shutterstock.com
Sommaire
Arrière-plan
Le cancer du sein est le cancer le plus répandu chez les femmes et le deuxième en termes de fréquence. L’hétérogénéité de la tumeur contribue à son agressivité, les interactions intercellulaires et microenvironnementales cellule-tumeur jouant un rôle crucial dans l’invasion et l’avancement de la tumeur.
Des études limitées ont utilisé des plates-formes d’organes sur puce pour étudier l’hétérogénéité du cancer du sein. Un modèle efficace doit couvrir l’hétérogénéité des tumeurs pour étudier avec précision la progression du cancer.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont développé une plateforme utilisant l’impression biologique 3D pour modéliser l’hétérogénéité phénotypique résultant de différentes localisations cellulaires dans une tumeur.
Les chercheurs ont créé un cadre pour modéliser l’hétérogénéité phénotypique qui peut apparaître dans le cancer en raison d’une localisation cellulaire variée (centre ou périphérie de la tumeur, quantité inégale d’oxygène) et/ou d’une interaction avec le microenvironnement tumoral (TME).
Des cellules tumorales du sein triple négatives présentant des caractéristiques mésenchymateuses (MDAMB231), une lignée cellulaire d’adénocarcinome du sein (MCF7) et des cellules de type épithélial mammaire non cancérogènes (MCF10A) ont été implantées dans des hydrogels de gélatine-alginate pour impression par un type d’extrusion à cartouches multiples. imprimante biologique pour créer des échantillons cellulairement hétérogènes avec les deux cellules différentes du cancer du sein dans des emplacements initiaux particuliers, une architecture spécifique et une densité contrôlée.
Les cellules cancéreuses du sein ont été encapsulées dans des hydrogels avant d’être imprimées à l’aide d’une bio-imprimante par extrusion pour construire un modèle de tumeur 3D afin d’imiter le microenvironnement in vivo. Tous les hydrogels ont présenté un comportement rhéofluidifiant et A4G4 a été choisi comme hydrogel optimal pour les tests de co-culture sur la base des résultats d’imprimabilité et de viabilité.
Pour induire une hétérogénéité cellulaire, l’équipe a mélangé les cellules de manière aléatoire ou les a disposées en couches consécutives. Un gradient chimique progressif a été créé pour analyser la migration cellulaire dans la direction du chimioattractant du facteur de croissance épithélial (EGF) dans la présence de cellules MCF10A dans des rapports variés.
Des études d’imprimabilité et de viabilité cellulaire ont été utilisées pour affiner le bioink. Des contrôles individuels de pression et de vitesse contrôlaient le flux de matériau pour chaque tête d’impression. L’imprimabilité des hydrogels d’alginate-gélatine a été étudiée en utilisant une combinaison de diverses compositions d’hydrogel et pressions d’impression.
La viabilité cellulaire a été évaluée sur les structures imprimées immédiatement après la bio-impression ainsi que quatre, sept et onze jours plus tard en utilisant du bromure de 3-(4,5-diméthylthiazol-2-yl)-2,5-diphényltétrazolium (MTT) et des cellules vivantes et mortes. essais.
La microscopie confocale à balayage laser a été utilisée pour étudier la construction. Les modules élastiques et visqueux des hydrogels ont été évalués à l’aide de tests rhéologiques de compositions bioink.
Un générateur de gradient en forme d’arbre a été créé et pourrait être combiné avec l’impression biologique tridimensionnelle du modèle de tumeur sur puce. Le modèle avait une longueur de 45 mm et une largeur de 21 mm. Le générateur de gradient microfluidique a été construit à l’aide de techniques de lithographie standard.
Résultats
La méthode a permis un contrôle précis de la position et de la disposition des cellules dans un système de coculture, permettant ainsi la création de diverses conceptions de tumeurs. La bio-impression s’est poursuivie à l’aide d’une buse 22G, qui nécessite moins de pression d’extrusion et s’est révélée bénéfique pour la survie des cellules après l’impression.
Selon les résultats du test de cellules vivantes-mortes, la proportion de cellules cancéreuses du sein MDA-MB-231 vivantes immédiatement après la bio-impression était de 94 %, 85 %, 97 % et 76 %, et pour les cellules A1G4, A1G8, A4G4, et hydrogels A8G4, respectivement.
La structure poreuse interconnectée des constructions d’hydrogel garantissait la diffusion de la nutrition à l’intérieur de la construction, fournissait un environnement adéquat pour les cellules vivantes et permettait la diffusion des déchets de la construction.
L’équipe a observé une excellente dispersion cellulaire à l’intérieur de la construction avec une valeur d’absorbance de 0,9 immédiatement après l’impression.
L’absorbance a grimpé à 1,4 en quatre jours et à 1,9 en une semaine. Le taux de survie a augmenté au cours de la semaine par rapport au premier jour ; cependant, une valeur d’absorbance de 2,1 a été observée au jour 11, indiquant une diminution du taux de prolifération cellulaire.
Entre les jours 7.0 et 11, les constructions ont atteint leur capacité maximale d’hébergement cellulaire, et quelques cellules sont mortes en conséquence. Les résultats ont indiqué que les constructions d’hydrogels imprimées biologiquement en 3D sont biocompatibles et peuvent maintenir les cellules en vie pendant une longue période.
La couche structurelle initiale imprimée biologiquement comprenait des cellules de cancer du sein MDA-MB-231, tandis que la couche suivante comprenait des cellules tumorales du sein MCF7 et était placée au-dessus de la couche initiale.
La population cellulaire et le rapport cellulaire étaient différents près des marges de la chambre 2D par rapport au centre de la chambre, mais les cellules tumorales étaient placées uniformément dans la structure biologiquement imprimée en 3D.
L’imagerie des constructions imprimées en trois dimensions co-cultivées a montré que les deux types de cellules du cancer du sein étaient présents dans toutes les couches de manière aléatoire puisqu’elles étaient imprimées le premier jour et qu’après trois jours, les cellules formaient des groupes.
Les cellules MCF7 semblaient plus susceptibles de migrer vers MDA-MB-231, car des clusters de types cellulaires mixtes plus nombreux ont été identifiés que les clusters de cellules MCF7.
Les cellules de cancer du sein MDA-MB-231 ont migré plus rapidement vers le chimioattractant EGF que les cellules MCF7. Lorsque le rapport cellules cancéreuses/cellules non cancéreuses était de 1:1, la propension migratoire était la plus grande.
En raison de la pression d’extrusion élevée, qui impose davantage de contraintes de cisaillement aux cellules, les hydrogels très visqueux entraînent une viabilité cellulaire réduite.
Les résultats du MTT ont montré que le taux de viabilité a augmenté au cours de la semaine par rapport au premier jour, confirmant l’accessibilité des cellules aux nutriments et à l’oxygène.
Conclusion
Dans l’ensemble, les résultats de l’étude ont montré une stratégie utilisant la convergence de la bio-impression 3D et des dispositifs microfluidiques pour produire des structures tumorales distinctes, typiques de celles observées chez différents individus.
Le modèle de tumeur sur puce peut aider à comprendre l’activité des cellules cancéreuses dans des tumeurs hétérogènes et leur microenvironnement avec une résolution temporelle et géographique élevée, et peut fournir des informations importantes pour prédire le moment des métastases dans le futur.
