Многоорганный чип показал, как рак груди распространяется в кости и легкие

Рак груди опасен не только развитием первичной опухоли. Главную угрозу при прогрессировании заболевания представляет метастазирование — распространение злокачественных клеток в другие части организма. Именно метастазы становятся причиной большинства смертельных осложнений онкологических заболеваний. Теперь ученые получили возможность детально наблюдать этот процесс в лаборатории с помощью многоорганного чипа, содержащего выращенные человеческие ткани.

Разработку представила команда Колумбийского университета под руководством профессора Горданы Вуньяк-Новакович. Исследователи создали микрофизиологическую систему, которая моделирует движение клеток рака груди через кровоток и их последующее проникновение в кости и легкие — органы, часто поражаемые метастазами.

Метастазирование значительно сложнее простого перемещения раковой клетки из одного органа в другой. Сначала клетка должна отделиться от первичной опухоли, проникнуть в кровеносную систему и выжить в кровотоке. Затем ей необходимо прикрепиться к внутренней поверхности сосуда, преодолеть эндотелиальный барьер, попасть в ткань нового органа и приспособиться к совершенно другой микросреде. Большинство циркулирующих опухолевых клеток не справляется с этим процессом, однако некоторым удается сформировать вторичные опухолевые очаги.

Изучать эти стадии непосредственно в организме человека чрезвычайно сложно. Значительная часть современных знаний о метастазировании получена благодаря экспериментам на животных, однако биология опухолей человека и лабораторных животных отличается. Это может быть одной из причин, почему некоторые препараты показывают хорошие результаты в доклинических исследованиях, но затем оказываются недостаточно эффективными у пациентов.

Созданный учеными многоорганный чип позволяет исследовать метастазирование именно в человеческих тканях. В устройство поместили выращенные в лаборатории костную и легочную ткани миллиметрового размера. Их соединили сосудистым каналом, имитирующим кровообращение, а между кровотоком и тканевыми отсеками сформировали эндотелиальный барьер — аналог внутренней выстилки настоящих кровеносных сосудов.

Костную и легочную ткани, а также клетки сосудистого эндотелия получили с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Такие клетки можно направлять на развитие в разные специализированные типы тканей. Для их созревания исследователи использовали специальные системы культивирования и биореакторы.

После формирования системы в сосудистый канал ввели клетки рака груди. Ученые смогли наблюдать, как они циркулируют, взаимодействуют с эндотелием, преодолевают сосудистый барьер и проникают в искусственные органы.

Особенно важным результатом стало воспроизведение органоспецифического метастазирования. Клетки рака груди, склонные к распространению в костную ткань, значительно активнее колонизировали модель кости и вызывали более выраженные признаки ее повреждения. Клетки, преимущественно метастазирующие в легкие, сильнее поражали легочную ткань и значительно меньше распространялись в костный компартмент.

Это явление известно как органотропизм метастазов. Различные опухолевые клетки способны предпочитать определенные органы, поскольку для образования метастаза недостаточно просто попасть в ткань. Новая микросреда должна обеспечивать условия, необходимые для выживания и размножения злокачественных клеток.

Исследование также позволило изучить формирование предметастатической ниши. Современные данные показывают, что первичная опухоль способна воздействовать на удаленные органы еще до появления там раковых клеток. Выделяемые опухолью сигнальные молекулы и другие факторы могут изменять сосуды, клетки и межклеточное пространство, делая определенную ткань более благоприятной для будущего метастаза.

На многоорганном чипе ученые обнаружили признаки такой предварительной подготовки как костной, так и легочной ткани. Это означает, что система моделирует не только непосредственное проникновение раковых клеток в орган, но и более ранние процессы, создающие условия для их последующего закрепления.

Практическая ценность технологии связана прежде всего с поиском новых способов предотвращения метастазов. На подобной платформе можно проверять, способен ли экспериментальный препарат блокировать прикрепление опухолевых клеток к сосудистой стенке, их проникновение через эндотелий, адаптацию к ткани или формирование предметастатической ниши.

Еще одно перспективное направление — персонализированная онкология. В будущем некоторые компоненты таких систем потенциально можно будет создавать из клеток конкретного пациента. Это позволит изучать особенности его опухоли и проверять реакцию раковых клеток на различные лекарственные воздействия вне организма.

Многоорганный чип пока не является полной копией человека. Он не воспроизводит всю сложность иммунной, нервной и гормональной регуляции организма, поэтому подобные технологии не могут автоматически заменить клинические исследования или все эксперименты на животных. Их задача — создать дополнительную человеческую модель, способную точнее воспроизводить отдельные стадии заболевания.

Для изучения рака груди такая технология особенно важна. Метастазирование представляет собой длительное взаимодействие опухолевых клеток с сосудами и тканями разных органов. Возможность наблюдать этот процесс в контролируемых условиях может помочь определить его наиболее уязвимые этапы и найти способы остановить распространение опухоли еще до образования крупных метастатических очагов.