患者来源性肿瘤类器官(PDOs)是一种前景广阔的临床前模型,它可以提供患者肿瘤的组织学、基因表达和药物反应信息。目前,PDOs的培养依赖于小鼠肿瘤基底膜提取物(BME,一种3D细胞培养的“金标准”水凝胶),但BME有着批次间差异、存在异种化合物和残留生长因子以及力学性能控制不佳的缺点,这会降低BME的可靠性。另外,在利用患者来源的异种移植物类器官(PDXOs)开发新的类器官时,培养基中的小鼠宿主细胞会在数量上淹没人类类器官,这也是一个严重的问题。因而,类器官模型的研究和应用迫切需要一种新的、能够克服上述缺点的培养基。 最近,加拿大多伦多大学等研究机构的研究人员在Nature Communications上发表了将一种纳米纤维水凝胶(EKGel)用于乳腺癌PDOs的形成和生长的论文,验证了EKGel可以作为乳腺癌PDOs的培养中的基质。
性质比较
EKGel由一个纤维网络组成(图1b),类似于体内肿瘤细胞外基质中的胶原蛋白结构,是可以用明胶和棒状醛修饰纤维素纳米晶体(a-CNCs)合成的一种仿生酶凝胶,与BME(图1c)相比,EKGel中的孔隙明显更大,这增强了营养物质对流的能力。此外,EKGel的共价交联还增强了水凝胶的稳定性。
图1 EKGel和BME水凝胶的结构和性质差异
生长情况
研究人员分别采用EKGel和BME作为基质开展PDOs培养实验,两者中的PDOs都能生长成外观相似的球形类器官(图2(a-f))。通过计算连续4代细胞的数目,可以检测EKGel和BME的细胞增殖情况,并监测类器官直径和细胞增殖的时间变化(图2(g-i))。计算结果表明在EKGel和BME中生长的PDOs的直径在统计学上无差异,EKGel水凝胶是适合乳腺癌PDOs的长期传代和维持的。
图2 EKGel和BME中乳腺癌PDOs的生长情况
基因表达情况 为了评估在EKGel和BME基质中生长的PDOs之间基因表达情况,研究者从基因层面分析了在两者中生长的PDOs之间区别,对每种条件下的细胞进行了RNA测序,结果显示,在两种不同生长基质中PDOs的基因表达,仅有6个基因存在显著差异(图3b),其它基因的表达具有高度一致性。
图3 EKGel和BME中PDOs的基因表达分析
药物反应情况
为了探索EKGel和BME中生长的类器官品系对常用乳腺癌药物(马球蛋白、紫杉醇和阿霉素等)的化学敏感性,研究人员进行了体外药物分析。结果表明, EKGel和BME中的肿瘤均对紫杉醇等抗癌药物有反应,表现出明显的肿瘤生长抑制效果,此外,紫杉醇治疗的EKGel-肿瘤和BME-肿瘤的生长速率相似,这表明抗癌药物在两种培养基中具有相似的药效。
图4EKGel和BME中的乳腺肿瘤类器官对抗癌药物的反应 类器官的形成情况 低形成率是癌症PDOs培养的一个重要难题,开发可以提高形成率的新基质将促进该领域的发展。因此,研究人员探索了在EKGel中形成乳腺癌PDOs和PDXOs的潜力,发现在EKGel和BME中,PDOs的形成率是相同的(图5a),但是PDXOs在EKGel中成功形成,却没有在BME中形成(图5d-e),这说明在两种基质中,PDXOs的形成存在显著差异,EKGel有提升形成率的潜力。
图5EKGel和BME中的类器官形成率 总体而言,研究人员开发了一种新型EKGel,用于有效形成和扩增乳腺癌PDOs,研究发现,EKGel有作为这些类器官类型支架的潜力,使体外模型能够捕获患者自身和患者间的异质性,并可用于开发个性化的癌症治疗手段。随着对EKGel这种新型生物材料研究的深入,将可能实现对不同乳腺癌和其他癌症类型的类器官的精细建模,并准确预测对不同药物类别的临床反应。 论文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-022-28788-6
审核编辑 :李倩
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原文标题:新型纳米纤维水凝胶用于乳腺肿瘤类器官的形成和生长
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