Химиотерапия часто используется для борьбы со злокачественными опухолями, но редко полностью излечивает пациентов из-за устойчивости раковых клеток к лекарствам. Считалось, что среда, в которой живут определенные раковые клетки, может влиять на их реакцию на определенные лекарства, но до сих пор было трудно точно проанализировать, как механика – в частности, жесткость внеклеточного материала, который окружает клетки и структурирует ткани, – изменяет эффективность препарата.
Ученые из Гарварда теперь нашли способ проанализировать, насколько жесткость этого "внеклеточный матрикс" влияет на химиотерапевтическое лечение. Дэвид Муни, Роберт П. Семья Пинкасов, профессор биоинженерии в Гарварде Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS) и член основного факультета Института биологической инженерии Висса являются старшим автором статьи, в которой подробно описан новый метод, опубликованной сегодня в отчете Proceedings of the National Academy of Sciences.
Работая с Джэ-Вон Шином, Муни представил новый тест для скрининга лекарств с использованием альгинатных гидрогелей – биосовместимых материалов, изготовленных из полисахарида, содержащегося в коричневых водорослях, – которые можно настроить для повторения механической жесткости и других физических свойств, характерных для опухоли и нормальной ткани.
"Чтобы добиться успеха с химиотерапией и другими лекарственными препаратами, нам, вероятно, потребуется проверить их эффективность в отношении клеток, живущих в различных средах, а не просто предположить, что клетки всегда будут реагировать на лекарство так же, как в обычной культуре клеток," сказал Муни.
Команда Муни ранее проанализировала и подтвердила важность механических сигналов, разработав настраиваемые альгинатные гидрогели для таких приложений, как регенерация тканей, дифференциация стволовых клеток, стимуляция образования кровеносных сосудов и восстановление костей и хрящей.
Теперь Муни и Шин разработали трехмерную микросреду с регулируемой жесткостью матрицы, внутри которой раковые клетки можно бомбардировать лекарствами и наблюдать за их сопротивлением (или разрушением). Варьируя жесткость матрикса, они продемонстрировали, что механические сигналы контролируют реакцию раковых клеток на химиотерапевтические препараты. Для многих лекарств, чем мягче матрикс, тем сильнее сопротивлялись лечению раковые клетки.
Используя этот подход, можно использовать широкий спектр различных клеточных сред, имитирующих различные ткани в организме, для более реалистичного скрининга раковых клеток на их реакцию на потенциальные лекарства, что позволяет выбрать правильный режим приема лекарств для лечения конкретного типа рака у пациента и его месторасположение.
Муни и Шин имплантировали мышам те же гидрогели, чтобы исследовать in vivo, может ли размягчение матрикса ускорить рост рака и повысить его устойчивость к химиотерапии – и действительно, так оно и было. В будущем трехмерные гидрогели могли бы лучше определять перспективные лекарства на ранних этапах процесса открытия и, намного позже, потенциально использоваться для разработки персонализированной лекарственной терапии рака для преодоления резистентности.
"Мы предполагаем, что наши трехмерные гидрогели могут преодолеть разрыв между скринингом лекарств in vitro и доклиническими исследованиями in vivo," сказал Шин, который раньше был научным сотрудником Института Висса, а в настоящее время является доцентом кафедры фармакологии и биоинженерии в Университете Иллинойса в Чикаго.
Хотя Муни и Шин изначально сосредоточились на использовании этого метода для улучшения лечения рака, его можно было бы использовать в более широком смысле для проверки лекарств на их эффективность при лечении ряда заболеваний по всему телу.