Изучение клеток в 3-D может выявить новые мишени для терапии рака
Новое исследование под руководством инженеров Университета Джонса Хопкинса показывает, что наблюдение за поведением клеток в трёхмерной среде даёт более точную информацию, которая может помочь в разработке препаратов для предотвращения распространения рака. Работа опубликована в июньском номере журнала Nature Cell Biology.
Фунментальное отличие 3-D от 2-D
Большая часть знаний о движении и прикреплении клеток получена в 2-D среде лабораторных чашек Петри. Однако, как заявляет Денис Виртц, директор Центра инженерии в онкологии Джонса Хопкинса, поведение клеток внутри трёхмерной среды, такой как человеческое тело, качественно и количественно отличается от поведения на плоской поверхности.
- В 2-D клетки образуют долгоживущие (от секунд до минут) прикрепления — фокальные адгезии — и формируют широкую веерообразную ламеллоподию для движения.
- В 3-D клетки приобретают веретенообразную форму с двумя заострёнными выступами. Фокальные адгезии, если и существуют, настолько малы и недолговечны, что их невозможно различить с помощью микроскопии.
Последствия для разработки лекарств
Это открытие ставит под сомнение результаты стандартных высокоскоростных методов скрининга препаратов, препятствующих миграции клеток на плоских субстратах. Поскольку движение клеток связано с метастазированием рака, использование 2-D моделей может давать вводящие в заблуждение результаты, которые не подтверждаются в клинических исследованиях.
Ключевой вывод: для достоверных исследований клетки должны быть полностью погружены в матрикс, а не частично (так называемая среда 2.5-D).
Роль белка зиксина
Исследование выявило потенциальные мишени для замедления инвазии клеток в 3-D матриксе. В частности, изучался белок зиксин, который часто нарушает свою регуляцию при раке.
- В 3-D среде клетки, обладающие зиксином, двигаются случайным образом, исследуя локальное окружение.
- При отключении гена зиксина клетки начинают двигаться быстро и целенаправленно по почти одномерной траектории, далеко удаляясь от места происхождения.
Понимание функции таких белков в 3-D культуре критически важно для понимания механизмов метастазирования.
Методология 3-D исследования
Для создания 3-D среды учёные использовали гель, обогащённый коллагеном — белком, формирующим сеть перекрещивающихся волокон, аналогичную внеклеточному матриксу в организме. Клетки смешивали с гелем до его застывания.
Движение клеток внутри гелевой матрицы наблюдали с помощью инвертированного конфокального микроскопа. Перемещение крошечных бусин, внедрённых в гель, показывало, как клетки:
- Вытягивают выступы в обоих направлениях.
- Сокращаются.
- Отсоединяют одно волокно и продвигаются вперёд.
Это движение сравнивают с преодолением полосы препятствий, переплетённой эластичными шнурами (банджи). Контакт клеток с волокнами коллагена в 3-D является кратковременным, в отличие от постоянного контакта с поверхностью в 2-D.
Будущие направления
Необходимо глубже изучить роль белков фокальной адгезии в 3-D мотильности. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на:
- Роли механосенсорных белков, таких как зиксин.
- Влиянии размера пор и жёсткости гелевой матрицы на миграцию клеток в 3-D.