Трёхмерные клеточные модели для исследования взаимодействия опухоли и иммунитета и тестирования иммунотерапевтических препаратов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Одним из наиболее обнадёживающих подходов к лечению рака является иммунотерапия. Подавление иммунных контрольных точек в ткани опухоли (анти-CTLA4, анти-PD1) с использованием моноклональных антител позволило увеличить общую выживаемость пациентов при некоторых формах меланомы кожи и рака лёгких. Однако процент пациентов, отвечающих на лечение, варьирует от 20% до 40% в зависимости от типа рака и экспрессии молекул-мишеней опухолью. Основным источником неудач иммунотерапии является микроокружение опухоли, которое воздействует как на клетки опухоли, так и на иммунные клетки, вызывая их адаптацию к воздействию иммунотерапевтических препаратов. Известно, что архитектура и клеточный состав микроокружения действуют на различные параметры опухоли, способствуя привлечению в ткань опухоли иммуносупрессивных клеток, а также увеличению экспрессии ингибиторов контрольных точек (таких как PD-L1). Следовательно, при поиске новых методов лечения и для стратификации пациентов, которые могут ответить на иммунотерапию, требуется учитывать сложный состав микроокружения опухоли. Именно поэтому в иммуноонкологических исследованиях необходимо использовать трёхмерные клеточные модели, более полно отражающие архитектуру и клеточный состав опухоли. В этом обзоре мы оцениваем трёхмерные клеточные модели в качестве инструментов для исследований в области иммуноонкологии, а также для персонализированного подбора лечения, поиска новых мишеней и оптимизации существующей иммунотерапии онкологических заболеваний.

Об авторах

Светлана Юрьевна Филиппова

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии

Автор, ответственный за переписку.
Email: filsv@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4558-5896
SPIN-код: 9586-2785

научный сотрудник

Россия, 344037, Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63

Софья Владимировна Тимофеева

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии

Email: timofeeva.sophia@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5945-5961
SPIN-код: 5362-1915

научный сотрудник

Россия, 344037, Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63

Ирина Валентиновна Межевова

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии

Email: mezhevova88@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7902-7278
SPIN-код: 3367-1741

младший научный сотрудник

Россия, 344037, Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63

Елена Владимировна Шалашная

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии

Email: rnioi@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-7742-4918
SPIN-код: 2752-0907

кандидат биологических наук

Россия, 344037, Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63

Людмила Яковлевна Розенко

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии

Email: onko-sekretar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7032-8595
SPIN-код: 8879-2251

доктор медицинских наук, профессор

Россия, 344037, Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63

Александр Васильевич Шапошников

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии

Email: onko-sekretar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6881-2281
SPIN-код: 8756-9438

доктор медицинских наук, профессор

Россия, 344037, Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63

Инна Арнольдовна Новикова

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии

Email: novikovainna@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0002-6496-9641
SPIN-код: 4810-2424

доктор медицинских наук

Россия, 344037, Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63

Список литературы

  1. Hui L., Chen Y. Tumor microenvironment: sanctuary of the devil // Cancer Letters. 2015. Vol. 368, N 1. P. 7–13. doi: 10.1016/j.canlet.2015.07.039
  2. Dysthe M., Parihar R. Myeloid-derived suppressor cells in the tumor microenvironment // Advances in experimental medicine and biology. 2020. Vol. 1224. P. 117–140. doi: 10.1007/978-3-030-35723-8_8
  3. Wolf D., Sopper S., Pircher A., Gast G., Wolf A.M. Treg(s) in cancer: friends or foe? // Journal of cellular physiology. 2015. Vol. 230, N 11. P. 2598–2605. doi: 10.1002/jcp.25016
  4. Alsaab H.O., Sau S., Alzhrani R., et al. PD-1 and PD-L1 checkpoint signaling inhibition for cancer immunotherapy: mechanism, combinations, and clinical outcome // Frontiers in pharmacology. 2017. Vol. 8. P. 561. doi: 10.3389/fphar.2017.00561
  5. Feng R., Zhao H., Xu J., Shen C. CD47: the next checkpoint target for cancer immunotherapy // Critical reviews in oncology/hematology. 2020. Vol. 152. doi: 10.1016/j.critrevonc.2020.103014
  6. Chen X., Song E. Turning foes to friends: targeting cancer-associated fibroblasts // Nature reviews. Drug discovery. 2019. Vol. 18. P. 99–115. doi: 10.1038/s41573-018-0004-1
  7. Noy R., Pollard J.W. Tumor-associated macrophages: from mechanisms to therapy // Immunity. 2014. Vol. 41. P. 49–61. doi: 10.1016/j.immuni.2014.06.010
  8. Mantovani A., Allavena P., Sica A., Balkwill F. Cancer-related inflammation // Nature. 2008. Vol. 454, N 7203. P. 436–444. doi: 10.1038/nature07205
  9. Wei S.C., Duffy C.R., Allison J.P. Fundamental mechanisms of immune checkpoint blockade therapy // Cancer Discovery. 2018. Vol. 8. P. 1069–1086. doi: 10.1158/2159-8290.CD-18-0367
  10. Mercogliano M.F., Bruni S., Elizalde P.V., Schillaci R. Tumor necrosis factor alpha blockade: an opportunity to tackle breast cancer // Frontiers in oncology. 2020. Vol. 10. P. 584. doi: 10.3389/fonc.2020.00584
  11. Kang S., Tanaka T., Narazaki M., Kishimoto T. Targeting interleukin-6 signaling in clinic // Immunity. 2019. Vol. 50. P. 1007–1023. doi: 10.1016/j.immuni.2019.03.026
  12. Wente M.N., Keane M.P., Burdick M.D., et al. Blockade of the chemokine receptor CXCR2 inhibits pancreatic cancer cell-induced angiogenesis // Cancer Letters. 2006. Vol. 241. P. 221–227. doi: 10.1016/j.canlet.2005.10.041
  13. Tanabe Y., Sasaki S., Mukaida N., Baba T. Blockade of the chemokine receptor, CCR5, reduces the growth of orthotopically injected colon cancer cells via limiting cancer-associated fibroblast accumulation // Oncotarget. 2016. Vol. 7. P. 48335–48345. doi: 10.18632/oncotarget.10227
  14. Igarashi Y., Sasada T. Cancer vaccines: toward the next breakthrough in cancer immunotherapy // Journal of immunology research. 2020. Vol. 2020. doi: 10.1155/2020/5825401
  15. Harari A., Graciotti M., Bassani-Sternberg M., Kandalaft L.E. Antitumour dendritic cell vaccination in a priming and boosting approach // Nature reviews. Drug discovery. 2020. Vol. 19. P. 635–652. doi: 10.1038/s41573-020-0074-8
  16. Jiang J., Wu C., Lu B. Cytokine-induced killer cells promote antitumor immunity // Journal of translational medicine. 2013. Vol. 11. doi: 10.1186/1479-5876-11-83
  17. Тимофеева С.В., Ситковская А.О., Новикова И.А., и др. Современные достижения CAT-T иммунотерапии для лечения глиобластомы // Медицинская иммунология. 2021. T. 23, № 3. С. 483–496. doi: 10.15789/1563-0625-RAI-2111
  18. Тимофеева С.В., Филиппова С.Ю., Ситковская А.О., и др. 3D печать модели опухолевого роста РМЖ // Вопросы онкологии. 2023. Т. 69, № 1. С. 67–73. doi: 10.37469/0507-3758-2023-69-1-67-73
  19. Teicher B.A. In Vivo/Ex vivo and in situ assays used in Cancer Research: a brief review // Toxicologic Pathology. 2009. Vol. 37, N 1. P. 114–122. doi: 10.1177/0192623308329473
  20. Chuprin J., Buettner H., Seedhom M.O., et al. Humanized mouse models for immuno-oncology research // Nature reviews. Clinical oncology. 2023. Vol. 20, N 3. P. 192–206. doi: 10.1038/s41571-022-00721-2
  21. Тимофеева С.В., Шамова Т.В., Ситковская А.О. 3D-био-принтинг микроокружения опухоли: последние достижения // Журнал общей биологии. 2021. Т. 82, № 5. С. 389–400. doi: 10.31857/S0044459621050067
  22. Филиппова С.Ю., Ситковская А.О., Тимофеева С.В., и др. Применение силиконового покрытия для оптимизации процесса получения клеточных сфероидов методом висячей капли // Южно-Российский онкологический журнал. 2022. Т. 3, № 3. С. 15–23. doi: 10.37748/2686-9039-2022-3-3-2
  23. Филиппова С.Ю., Чембарова Т.В., Тимофеева С.В., и др. Культивирование клеток в альгинатных каплях, как высокопроизводительный метод получения клеточных сфероидов для биопечати // Южно-Российский онкологический журнал. 2023. Т. 4, № 2. С. 47–55. doi: 10.37748/2686-9039-2023-4-2-5
  24. Weiswald L.B., Bellet D., Dangles-Marie V. Spherical cancer models in tumor biology // Neoplasia. 2015. Vol. 17. P. 1–15. doi: 10.1016/j.neo.2014.12.004
  25. Jiang X., Seo Y.D., Chang J.H., et al. Long-lived pancreatic ductal adenocarcinoma slice cultures enable precise study of the immune microenvironment // Oncoimmunology. 2017. Vol. 6: e1333210. doi: 10.1080/2162402X.2017.1333210
  26. Neal J.T., Li X., Zhu J., et al. Organoid modeling of the tumor immune microenvironment // Cell. 2018. Vol. 175. P. 1972–1988. doi: 10.1016/j.cell.2018.11.021
  27. Courau T., Bonnereau J., Chicoteau J., et al. Cocultures of human colorectal tumor spheroids with immune cells reveal the therapeutic potential of MICA/B and NKG2A targeting for cancer treatment // Journal for Immunotherapy of Cancer. 2019. Vol. 7, N 1. P. 74. doi: 10.1186/s40425-019-0553-9
  28. Tsai S., McOlash L., Palen K., et al. Development of primary human pancreatic cancer organoids, matched stromal and immune cells and 3D tumor microenvironment models // BMC Cancer. 2018. Vol. 18, N 1. P. 335. doi: 10.1186/s12885-018-4238-4
  29. Yu L., Li Z., Mei H., et al. Patient-derived organoids of bladder cancer recapitulate antigen expression profiles and serve as a personal evaluation model for CAR-T cells in vitro // Clinical & translational immunology. 2021. Vol. 10, N 2. doi: 10.1002/cti2.1248
  30. Dijkstra K.K., Cattaneo C.M., Weeber F., et al. Generation of Tumor-Reactive T cells by co-culture of Peripheral Blood Lymphocytes and Tumor Organoids // Cell. 2018. Vol. 174, N 6. P. 1586–1598. doi: 10.1016/j.cell.2018.07.009
  31. Meng Q., Xie S., Gray G.K., et al. Empirical identification and validation of tumor-targeting T cell receptors from circulation using autologous pancreatic tumor organoids // Journal for immunotherapy of cancer. 2021. Vol. 9, N 11. doi: 10.1136/jitc-2021-003213
  32. Wu M.H., Huang S.B., Lee G.B. Microfluidic cell culture systems for drug research // Lab on a Chip. 2010. Vol. 10, N 8. P. 939. doi: 10.1039/b921695b
  33. Xie H., Appelt J.W., Jenkins R.W. Going with the flow: modeling the tumor microenvironment using microfluidic technology // Cancers (Basel). 2021. Vol. 13, N 23. P. 6052. doi: 10.3390/cancers13236052
  34. Liu H., Wang Y., Wang H., et al. A Droplet microfluidic system to fabricate hybrid capsules enabling stem cell organoid engineering // Advanced science. 2020. Vol. 7, N 11. P. 1903739. doi: 10.1002/advs.201903739
  35. Nguyen M., De Ninno A., Mencattini A., et al. Dissecting effects of anti-cancer drugs and cancer-associated fibroblasts by on-chip reconstitution of immunocompetent tumor microenvironments // Cell reports. 2018. Vol. 25:3884–3893. doi: 10.1016/j.celrep.2018.12.015
  36. Aref A.R., Campisi M., Ivanova E., et al. 3D microfluidic ex vivo culture of organotypic tumor spheroids to model immune checkpoint blockade // Lab on a Chip. 2018. Vol. 18. P. 3129–3143. doi: 10.1039/C8LC00322J
  37. Jenkins R.W., Aref A.R., Lizotte P.H., et al. Ex vivo profiling of PD-1 blockade using organotypic tumor spheroids // Cancer discovery. 2018. Vol. 8, N 2. P. 196–215. doi: 10.1158/2159-8290.CD-17-0833
  38. Moore N., Doty D., Zielstorff M., et al. A multiplexed microfluidic system for evaluation of dynamics of immune-tumor interactions // Lab on a Chip. 2018. Vol. 18. P. 1844–1858. doi: 10.1039/C8LC00256H
  39. Zervantonakis I.K., Hughes-Alford S.K., Charest J.L., et al. Three-dimensional microfluidic model for tumor cell intravasation and endothelial barrier function // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2012. Vol. 109. P. 13515–13520. doi: 10.1073/pnas.1210182109
  40. Agliari E., Biselli E., De Ninno A., et al. Cancer-driven dynamics of immune cells in a microfluidic environment // Scientific Reports. 2014. Vol. 4. P. 6639. doi: 10.1038/srep06639
  41. Biselli E., Agliari E., Barra A., et al. Organs on chip approach: a tool to evaluate cancer -immune cells interactions // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 12737. doi: 10.1038/s41598-017-13070-3
  42. Kitajima S., Ivanova E., Guo S., et al. Suppression of STING associated with Lkb1 loss in KRAS-driven lung cancer // Cancer Discovery. 2019. Vol. 9. P. 34–45. doi: 10.1158/2159-8290.CD-18-0689
  43. Businaro L., De Ninno A., Schiavoni G., et al. Cross talk between cancer and immune cells: exploring complex dynamics in a microfluidic environment // Lab on a Chip. 2013. Vol. 13. P. 229–239. doi: 10.1039/c2lc40887b
  44. Gong Z., Huang L., Tang X., et al. Acoustic droplet printing tumor organoids for modeling bladder tumor immune microenvironment within a week // Advanced healthcare materials. 2021. Vol. 10, N 22. P. 2101312. doi: 10.1002/adhm.202101312
  45. Shukla P., Yeleswarapu S., Heinrich M.A., Prakash J., Pati F. Mimicking tumor microenvironment by 3D bioprinting: 3D cancer modeling // Biofabrication. 2022. Vol. 14, N 3. doi: 10.1088/1758-5090/ac6d11
  46. Тимофеева С.В., Филиппова С.Ю., Ситковская А.О., и др. Биоресурсная коллекция клеточных линий и первичных опухолей ФГБУ НМИЦ онкологии Минздрава России // Кардиоваскулярная терапия и профилактика. 2022. Т. 21, № 11. С. 44–50. doi: 10.15829/1728-8800-2022-3397
  47. Кит О.И., Тимофеева С.В., Ситковская А.О., Новикова И.А., Колесников Е.Н. ФГБУ «НМИЦ онкологии» Минздрава России как ресурс для проведения исследований в области персонифицированной медицины // Современная Онкология. 2022. Т. 24, № 1. С. 6–11. doi: 10.26442/18151434.2022.1.201384
  48. Hermida M.A., Kumar J.D., Schwarz D., et al. Three dimensional in vitro models of cancer: Bioprinting multilineage glioblastoma models // Advances in biological regulation. 2020. Vol. 75, N 100658. doi: 10.1016/j.jbior.2019.100658
  49. Tang M., Xie Q., Gimple R.C., et al. Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions // Cell research. 2020. Vol. 30, N 10. P. 833–853. doi: 10.1038/s41422-020-0338-1
  50. Neufeld L., Yeini E., Reisman N., et al. Microengineered perfusable 3D-bioprinted glioblastoma model for in vivo mimicry of tumor microenvironment // Science advances. 2021. Vol. 7, N 34. doi: 10.1126/sciadv.abi9119

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Схематический обзор трёхмерных моделей in vitro и их применения в исследованиях иммунных взаимоотношений в микроокружении опухолей.

Скачать (274KB)
3. Рис. 2. Процесс создания трёхмерных клеточных культур для моделирования взаимоотношений опухоль–иммунитет: a — получение модели на основе многоклеточных сфероидов, сокультивируемых с иммунными клетками; b — выращивание органоидов и тумороидов из ткани опухоли в биогеле с последующим сокультивированием с аутологичными иммунными клетками.

Скачать (395KB)
4. Рис. 3. Получение трёхмерной модели микроокружения опухоли путём соединения различных компонентов модели на микрофлюидных системах (чипах).

Скачать (268KB)
5. Рис. 4. Схема получения модели микроокружения опухоли с применением трёхмерной биопечати.

Скачать (333KB)

© Эко-Вектор, 2023


 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».