Żel na bazie alg jako nowe narzędzie w badaniach nad rakiem piersi

W 2020 roku, gdy Jane Baude rozpoczynała badania doktorskie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara (UCSB), dowiedziała się, że kluczowy element jej eksperymentu – żel potrzebny do hodowli i testowania komórek nabłonka gruczołu mlekowego – nie będzie dostępny przez prawie rok z powodu problemów produkcyjnych związanych z pandemią. Wraz ze swoim promotorem, profesorem Ryanem Stowersem, postanowiła więc opracować własny żel do badań nad komórkami.

Dziś Baude, Stowers i ich współpracownicy stworzyli w laboratorium żel na bazie alg jako platformę do badań komórek nabłonka gruczołu mlekowego. Komórki te w zdrowej tkance piersi tworzą przewody i gruczoły produkujące mleko, a w określonych warunkach mogą ulegać transformacji w komórki nowotworowe. „Nie tylko stworzyliśmy coś, co potrafi naśladować komercyjnie dostępne żele, ale także wykorzystaliśmy nasz materiał, aby lepiej zrozumieć zarówno same komórki, jak i właściwości biomateriału” – podkreśla Baude.

W badaniach opublikowanych na łamach Science Advances zespół wykazał, że ich żel skutecznie wspiera rozwój prawidłowej tkanki gruczołu mlekowego i może być modyfikowany w celu sterowania sposobem wzrostu komórek. Dzięki możliwości regulacji właściwości mechanicznych i biochemicznych żelu badacze mogą analizować, jak środowisko fizyczne wpływa na zachowanie komórek.

Środowisko komórki równie ważne jak geny

Dotychczas badania nad nowotworami skupiały się głównie na mutacjach inicjujących kaskadę sygnałów prowadzących do wzrostu guza. Tymczasem – jak podkreśla Stowers – otoczenie, w którym rośnie komórka, jest równie istotne jak jej genetyka. „Te same komórki w różnych środowiskach mogą zachowywać się jak prawidłowe albo jak inwazyjne komórki nowotworowe, w zależności od kontekstu” – mówi badacz.

Nowe środowisko żelowe pozwala lepiej zrozumieć, jak „sąsiedztwo” komórki w organizmie wpływa na jej rozwój i potencjalną transformację nowotworową.

Błona podstawna jako kluczowy regulator

W organizmie miejscem życia komórek nabłonkowych jest błona podstawna – cienka siatka białek, która zakotwicza komórki, zapewnia im wsparcie i pełni istotną rolę w przekazywaniu sygnałów. Dlatego badacze potrzebują w laboratorium jej odpowiednika, aby prawidłowo odtworzyć warunki środowiska komórkowego.

Większość dostępnych komercyjnie produktów opartych na błonie podstawnej do badań nad rakiem piersi i tkanką piersiową pozyskiwana jest z guzów mysich. „Wszyscy wiedzą, że te żele nie są idealne” – zaznacza Stowers. Dlatego wraz z Baude postanowili opracować system od podstaw, dodając możliwość regulacji i modulacji właściwości syntetycznego materiału.

Sztywność błony a rozwój guza

Komórki reagują na właściwości fizyczne otaczającego je środowiska. Możliwość regulacji parametrów żelu w laboratorium daje szansę zbadania, jak komórki reagują na różne warunki. „Komórki są wyjątkowo mechanowrażliwe – potrafią wyczuć różnicę między miękkim a twardym żelem” – wyjaśnia Stowers.

Te interakcje mogą mieć znaczenie w onkogenezie. Badania wykazały, że sztywniejsze otoczenie sprzyja rozwojowi guzów. „Często, gdy ktoś wyczuwa twardy guzek, decyduje się na badanie, intuicyjnie wiedząc, że może to być coś złego” – dodaje naukowiec. „Gruczoł mlekowy należy do jednych z bardziej miękkich tkanek w organizmie, jednak złośliwy guz wraz z postępem choroby staje się coraz sztywniejszy.”

Precyzja i elastyczność nowego żelu

Baude, aby opracować syntetyczną błonę podstawną, wykorzystała wcześniej badany żel na bazie alg i testowała kombinacje krótkich sekwencji peptydowych, aż osiągnęła funkcjonalność porównywalną z komercyjnym Matrigelem. Zmieniano również stopień usieciowania i długość łańcuchów polimerowych, aby kontrolować sztywność oraz reakcję żelu na siły mechaniczne.

„Znaleźliśmy kombinację mechanicznych i biochemicznych bodźców, które dobrze współpracują” – mówi badaczka. Niektóre modyfikacje pozwoliły zrozumieć, jak różne rodzaje macierzy wpływają na rozwój komórek. Inne umożliwiły symulowanie środowiska sprzyjającego transformacji nowotworowej.

W odpowiednich warunkach komórki umieszczone w żelu były w stanie samodzielnie tworzyć własne błony podstawne. Jednak przy nieprawidłowych sygnałach zaczynały produkować inne białka i nie rozwijały się prawidłowo.

Zespół planuje dalsze badania nad tym, w jakim stopniu można kontrolować początkowe warunki żelu, aby kształtować rozwój komórek, a nawet dążyć do hodowli złożonych tkanek i narządów z komórek pacjentów. „Mamy nadzieję, że dzięki inżynierskiemu podejściu do biologii rozwoju uda nam się uzyskać wiedzę, która pozwoli kierować formowaniem się złożonych, funkcjonalnych tkanek” – podsumowuje Stowers.

Źródło: Science Advances, Engineered basement membrane mimetic hydrogels to study mammary epithelial morphogenesis and invasion
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adx2110