Показ фильмов в 3D произвел кассовое золотое дно в последних месяцах. Мог просмотр поведения клетки в трех измерениях, приводят к важным успехам в исследованиях рака? Новое исследование во главе с инженерами Университета Джонса Хопкинса указывает, что может произойти. Смотрение на клетки в 3D, члены команды завершили, выдает более достоверную информацию, которая могла помочь разработать лекарства, чтобы предотвратить распространение рака.
Исследование, сотрудничество с исследователями в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, появляется в июньской проблеме Цитобиологии Природы.«Обнаружение, как клетки двигаются и придерживаются поверхностей, критически важно по отношению к нашему пониманию рака и других болезней. Но большая часть того, что мы знаем об этих поведениях, была изучена в 2-й среде Чашек Петри», сказал Денис Вирц, директор по Разработке Джонса Хопкинса в Центре Онкологии и научном руководителе исследования. «Впервые наше исследование демонстрирует, что способ, которым клетки двигаются в трехмерной среде, такой как человеческое тело, существенно отличается от поведения, которое мы видели в обычных плоских блюдах лаборатории. Это и качественно и количественно отличающееся».
Одно применение этого открытия состоит в том, что результаты, приведенные общим быстродействующим методом экранирующих препаратов, чтобы предотвратить миграцию клеток на плоских субстратах, в лучшем случае вводят в заблуждение, сказал Вирц, который также является профессором Теофилуса Х. Смута Химической и Биомолекулярной Разработки в Джонсе Хопкинсе. Это важно, потому что движение клетки связано с распространением рака, сказал Вирц. «Наше исследование идентифицировало возможные цели существенно замедлить инвазию клетки в трехмерной матрице».Когда клетки выращены в двух размерах, Вирц сказал, определенные белки помогают сформировать долговечные приложения, названные центральными спайками на поверхностях. При этих 2-х условиях эти спайки могут продлиться несколько секунд к нескольким минутам.
Клетка также развивает широкое, веерообразное выпячивание, названное ламеллой вдоль ее переднего края, помогающей переместить ее вперед. «В 3D форма абсолютно отличается», сказал Вирц. «Это более подобно веретену с двумя резким выпячиванием в противоположных концах. Центральные спайки, если они существуют вообще, являются настолько крошечными и таким образом непродолжительные, они не могут быть решены с микроскопией».
Ведущий автор исследования, Стефани Фрэли, докторант Джонса Хопкинса в Химической и Биомолекулярной Разработке, сказала, что форма и способ движения за клетки в 2-м являются просто «экспонатом их среды», которая могла привести к вводящим в заблуждение результатам при тестировании эффекта различных препаратов. «Намного более трудно сделать 3D клеточную культуру, чем это должно сделать 2-ю клеточную культуру», сказал Фрэли. «Как правило, любой вид исследования лекарственного средства, которое Вы делаете, проводится в 2D клеточных культурах, прежде чем это будет перенесено в модели животных. Иногда, результаты исследования лекарственного средства не напоминают результаты клинических исследований. Это может быть одним из ключей к пониманию, почему вещи не всегда совпадают».Наблюдатель способности Фрэли, Вирц, предположил, что часть причины разъединения могла быть то, что даже в исследованиях, которые называют 3D, вершина клеток все еще расположена выше матрицы. «Большая часть работы была для клеток, только частично залитых в матрицу, которую мы называем 2.5-D», сказал он. «Наша статья показывает принципиальное различие между 3D и 2.5-D: Исчезают центральные спайки, и роль центральных белков спайки в регулировании подвижности клетки становится отличающейся».
Вирц добавил, что, «потому что потеря спайки и улучшила движение клетки, признаки рака», результаты исследования его команды должны радикально изменить способ, которым клетки культивируются для исследований лекарственного средства. Например, команда нашла, что в 3D среде, клетки, обладающие белком zyxin, будут двигаться случайным способом, исследуя их окружение. Но когда ген для zyxin был отключен, клетки поехали в быстром и постоянном, почти одномерном пути, далеком от их места происхождения.
Фрэли сказал, что такие клетки могли бы даже поехать, отодвигают те же проводящие пути, которые они уже исследовали. «Оказывается, что zyxin является misregulated при многих случаях рака», сказал Фрэли. Поэтому она добавила, понимание функции белков как zyxin в 3D клеточной культуре критически важно по отношению к пониманию, как рак распространяется или метастазирует. «Конечно, рост опухоли важен, но что убивает большинство больных раком, метастаз», сказала она.Чтобы изучить клетки в 3D, команда покрыла предметное стекло слоями обогащенного коллагеном геля несколько миллиметров толщиной. Коллаген, самый богатый белок в теле, формирует сеть в геле поперечно сшитых волокон, подобных естественным внеклеточным матричным лесам, на которые клетки растут в теле.
Исследователи тогда смешали клетки в гель, прежде чем он установил. Затем, они использовали перевернутый софокусный микроскоп, чтобы рассмотреть от ниже клеток, едущих в пределах матрицы геля. Смещение крошечных бусинок, залитых в гель, использовалось, чтобы показать движение волокон коллагена, поскольку клетки расширили выпячивание в обоих направлениях и затем потянули внутрь прежде, чем выпустить одно волокно и продвинуть себя вперед.
Fraley сравнил движение клеток человеку, пытающемуся маневрировать через курс препятствия, перекрещенный со шнурами пружинного типа. «Клетки двигаются путем распространения одного выпячивания вперед и другого назад, возникновения внутрь, и затем выпуска одного из контактов прежде, чем выпустить другой», сказала она. В конечном счете клетка движется в направлении контакта, выпущенного в последний раз.Когда клетка проходит на 2-й поверхности, нижняя сторона клетки находится в постоянном контакте с поверхностью, где это может сформировать много больших и длительных центральных спаек.
Клетки, движущиеся в 3D среды, однако, только устанавливают краткие контакты с сетью волокон коллагена, окружающих их – «Мы думаем, что те же центральные белки спайки, идентифицированные в 2-х ситуациях, играют роль в 3D подвижности, но их роль в 3D абсолютно отличается и неизвестна», сказал Вирц. «Существует больше, мы должны обнаружить».Фрэли сказал, что ее будущее исследование будет сосредоточено специфично на роли mechanosensory белков как zyxin на подвижности, а также как факторы, такие как размер поры матрицы геля и жесткость влияют на миграцию клеток в 3D.
Примечания:Co-следователями на этом исследовании из Вашингтонского университета в Сент-Луисе был Грегори Д. Лонгмор, преподаватель медицины, и его постдокторант Юньфэн Фэн, оба из которых связаны с ЯРКИМ Институтом университета. Лонгмор и Вирц ведут один из трех основных проектов, которые являются центром Разработки Джонса Хопкинса в Центре Онкологии, Соотечественник финансируемая онкологическим институтом Физика в Центре Онкологии. Дополнительными авторами Джонса Хопкинса, всеми от Отделения Химической и Биомолекулярной Разработки, был Альфредо Селедон, недавний докторский реципиент; Ранйини Криснамурти, недавний реципиент степени бакалавра; и Дун-Хви Ким, нынешний докторант.
Финансирование для исследования было обеспечено Национальным Онкологическим институтом.Источник: Университет Джонса Хопкинса