Forskere skaber 3D-cellearrays til mere realistiske eksperimentelle biologiske miljøer

Baner vejen for at teste eksperimentelle lægemidler i mere realistiske miljøer, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opdaget, hvordan man får små kolonier af celler til at vokse på nyttige nye måder inde i petriskåle.

Forskerholdets opdagelser kan hjælpe designere af miniature "lab-on-a-chip" teknologier til at dyrke tredimensionelle kolonier af leverkræftceller inde i en chips bittesmå kamre, snarere end de blot todimensionelle kolonier, som de generelt kan dyrke nu. Da mange fastvævs-tumorer i sig selv er tredimensionelle, 3-D cellearrays kunne give mere realistiske biologiske miljøer til test af lægemidler end dem, der er tilgængelige i øjeblikket.

"Da tumorcellelinjer er almindeligt brugt til at teste anti-cancer forbindelser, det biomedicinske samfund søger aktivt efter måder at teste disse lægemidler i 3-D cellekulturer, " sagde Darwin Reyes-Hernandez, en biomedicinsk ingeniør ved NIST. "Vores resultater kunne hjælpe med at bygge bro mellem analyser af celler i laboratoriet og i levende væsner, et hul, der i øjeblikket begrænser lægemiddelopdagelsesprocesserne."

For at opfylde løftet om lab-on-a-chip teknologi, chippens indre skal have mange funktioner til fælles med selve kroppen, såsom mange forskellige celletyper, der vokser i hinandens nærvær. Forskere kan allerede udforske, hvad en enkelt celletype ville gøre i nærvær af et lægemiddelmolekyle blot ved at dyrke dem sammen i en laboratorieskål. Men stoffer skal virke i kroppen, ikke kun et laboratorieeksperiment. At studere celle-celle-interaktioner på en kontrolleret måde, forskere dyrker flere celletyper i skålen, få hver type til at vokse på et andet sted ved at ændre egenskaberne for den voksende overflade, en teknik kaldet mikromønster.

NIST-holdet, hvis medlemmer specialiserer sig i de mikrofluidiske teknologier, der ville udgøre meget af laboratoriet på en chips fysiske miljø, havde oprindeligt det mål at få to forskellige typer menneskelige celler til at vokse side om side på en overflade:leverkræftceller såvel som endotelceller, som beklæder blodkarrene i kroppen og er afgørende for kræftens udvikling. Blot at finde en måde at skabe denne fælles grænse mellem to celletyper ville have været en værdig bedrift, ifølge teammedlem Kiran Bhadriraju, en NIST-gæsteforsker, der er på besøg fra Theiss Research i La Jolla, Californien. Eksisterende teknologier til at skabe sådanne mikromønstrede co-kulturer er besværlige, han sagde, og ikke let brugt i storskala farmaceutisk testning.

Holdet teoretiserede, at når de coated overfladen med to forskellige klæbemidler - fibronectin alene og en sammensætning af fibronectin og andre stoffer kaldet hybrid cell adhesive material (hCAM) - ville leverkræftcellerne let kun klæbe til hCAM, mens endotelcellerne ville klæbe til fibronectinet. Foreløbige eksperimenter bekræftede deres fornemmelse, og opdagelsen gav NIST-forskerne en måde at skabe co-kulturer af tumor- og endotelcellerne, hvor de ønskede dem.

At skabe den fælles grænse, de oprindeligt havde søgt, var en bedrift i sig selv, men der kom mere. Da de tog billeder af cellerne ved hjælp af en teknik kendt som laser konfokal mikroskopi, holdet opdagede også, at cellerne på hCAM-overfladen havde vokset lagdelte arrays i tre dimensioner. Ved at tilføje et tredje protein kaldet transglutaminase - et klæbrigt enzym, der limer proteinmolekyler sammen - kunne de få leverkræftcellerne til i stedet for at danne arrays, der kun er en enkelt celle tyk, give dem kontrol over processen.

Ved at kende dette relativt simple forhold mellem kemikalierne, overflade- og leverkræftceller kunne være nyttige til at dyrke kræftceller sammen med helt forskellige celletyper, han siger, og kan tillade disse små cellekulturer at blive opskaleret til den slags højkapacitetsarbejde, som et lægemiddelfirma ville have brug for for at teste et stort antal lægemiddelkandidater.

"Vi forventer, at andre kræftcellelinjer kan bruges til mikromønstre af lignende co-kulturer, " sagde Bhadriraju. "Mens leverkræftcellelinjen, der bruges her, er en vigtig cellelinje for den farmaceutiske industri til at teste anti-cancer medicin, vi har endnu ikke testet, om andre cancercelletyper vil danne de samme typer 3-D strukturer. Men vi er optimistiske da disse proteiner, vi har belagt overfladen med, almindeligvis bruges sammen med andre former for kræftceller."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.