En vetenskaplig bedrift för forskare vid Tel Aviv University: att skriva ut en hel aktiv och livskraftig glioblastomtumör med en 3D-skrivare. Den 3D-bioprintade tumören inkluderar ett komplext system av blodkärlsliknande rör genom vilka blodkroppar och läkemedel kan flöda, vilket simulerar en riktig tumör.

Studien leddes av Prof. Ronit Satchi-Fainaro, Sackler fakultet för medicin och Sagol School of Neuroscience, chef för Cancer Biology Research Center, chef för Cancer Research and Nanomedicine Laboratory och chef för Morris Kahn 3D-BioPrinting for Cancer Research Initiativ, vid Tel Avivs universitet. Den nya tekniken har utvecklats av doktoranden Lena Neufeld, tillsammans med andra forskare vid Prof. Satchi-Fainaros laboratorium: Eilam Yeini, Noa Reisman, Yael Shtilerman, Dr. Dikla Ben-Shushan, Sabina Pozzi, Dr. Galia Tiram, Dr. Anat Eldar-Boock och Dr Shiran Farber.

De 3D-bioprintade modellerna är baserade på prover från patienter, tagna direkt från operationssalar på neurokirurgiska avdelningen i Tel Aviv Sourasky Medical Center. Den nya studiens resultat publicerades idag i den prestigefyllda tidskriften Science Advances.

“Glioblastom är den mest dödliga cancern i det centrala nervsystemet och står för de flesta maligniteter i hjärnan”, säger Prof. Satchi-Fainaro. “I en tidigare studie identifierade vi ett protein som heter P-Selectin, som produceras när glioblastomcancerceller möter mikroglia – celler i hjärnans immunsystem. Vi fann att detta protein är ansvarigt för ett misslyckande i mikroglia, vilket får dem att stödja snarare än attackera de dödliga cancercellerna och hjälpa cancern att spridas. Däremot identifierade vi proteinet i tumörer som togs bort under operationen, men inte i glioblastomceller odlade på 2D-petriskålar av plast i vårt labb. Anledningen är att cancer, precis som alla vävnader, beter sig väldigt annorlunda på en plastyta än den gör i människokroppen. Cirka 90 % av alla experimentella läkemedel misslyckas i de kliniska stadierna eftersom framgången som uppnås i labbet inte reproduceras hos patienter.”

För att ta itu med detta problem skapade forskargruppen under ledning av Prof. Satchi-Fainaro och doktorand Lena Neufeld, mottagare av det prestigefyllda Dan David Fellowship, den första 3D-bioprintade modellen av en glioblastomtumör, som inkluderar 3D-cancervävnad omgiven av extracellulär matris , som kommunicerar med sin mikromiljö och funktionella blodkärl.

“Det är inte bara cancercellerna”, förklarar Prof. Satchi-Fainaro. “Det är också cellerna i mikromiljön i hjärnan; astrocyterna, mikroglia och blodkärlen kopplade till ett mikrofluidiskt system – nämligen ett system som gör det möjligt för oss att leverera ämnen som blodkroppar och läkemedel till tumörreplikan. Varje modell är tryckt i en bioreaktor vi har designat i labbet, med hjälp av en hydrogel som provats och reproducerats från den extracellulära matrisen som tagits från patienten, och därigenom simulerat själva vävnaden. Hjärnans fysiska och mekaniska egenskaper skiljer sig från andra organs, såsom hud, bröst, eller ben. Bröstvävnad består till största delen av fett, benvävnad är mestadels kalcium; varje vävnad har sina egna egenskaper som påverkar cancercellernas beteende och hur de svarar på mediciner Att odla alla typer av cancer på identiska plastytor är inte optimalt simulering av den kliniska miljön.”

Efter att ha lyckats skriva ut 3D-tumören, visade Prof. Satchi-Fainaro och hennes kollegor att till skillnad från cancerceller som växer på petriskålar, har den 3D-bioprintade modellen potential att vara effektiv för snabb, robust och reproducerbar förutsägelse av den mest lämpliga behandlingen för en specifik patient.

“Vi bevisade att vår 3D-modell är bättre lämpad för förutsägelse av behandlingseffektivitet, målupptäckt och läkemedelsutveckling på tre olika sätt. Först testade vi en substans som hämmade det protein vi nyligen upptäckt, P-Selectin, i glioblastomcellkulturer odlade på 2D petriskålar, och fann ingen skillnad i celldelning och migration mellan de behandlade cellerna och kontrollcellerna som inte fick någon behandling. Däremot kunde vi i både djurmodeller och i de 3D-bioprintade modellerna, som överuttrycker proteinet, att fördröja tillväxten och invasionen av glioblastom genom att blockera P-Selectin-proteinet. Detta experiment visade oss varför potentiellt effektiva läkemedel sällan når kliniken bara för att de misslyckas i tester i 2D-modeller, och vice versa: varför läkemedel anses vara en fenomenal framgång i labbet , i slutändan misslyckas i kliniska prövningar. Dessutom, i samarbete med Dr. Asaf Madis labb vid Institutionen för patologi vid TAU:s medicinska fakultet, genomförde vi genetiska sekvensering av cancercellerna som odlats i den 3D-bioprintade modellen, och jämförde dem med både cancerceller odlade på 2D-plast och cancerceller som tagits från patienter. Således visade vi en mycket större likhet mellan de 3D-bioprintade tumörerna och patienthärledda glioblastomceller som odlas tillsammans med hjärnans stromaceller i sin naturliga miljö. Med tiden har cancercellerna som odlats på plast förändrats avsevärt och slutligen förlorade all likhet med cancercellerna i patientens hjärntumörprov. Det tredje beviset erhölls genom att mäta tumörtillväxthastigheten. Glioblastom är en aggressiv sjukdom delvis för att den är oförutsägbar: när de heterogena cancercellerna injiceras separat i modelldjur kommer cancern att förbli vilande hos vissa, medan i andra utvecklas en aktiv tumör snabbt. Detta är vettigt eftersom vi, som människor, kan dö i fred av ålderdom utan att någonsin veta att vi har hyst sådana vilande tumörer. På fatet i labbet växer dock alla tumörer och sprider sig i samma takt. I vår 3D-bioprintade tumör bibehålls heterogeniteten och utvecklingen liknar det breda spektrum som vi ser hos patienter eller djurmodeller.”

Enligt Prof. Satchi-Fainaro kommer detta innovativa tillvägagångssätt också att möjliggöra utvecklingen av nya läkemedel, såväl som upptäckten av nya läkemedelsmål – i mycket snabbare takt än idag. Förhoppningsvis kommer denna teknik i framtiden att underlätta personlig medicin för patienter.

“Om vi ​​tar ett prov från en patients vävnad, tillsammans med dess extracellulära matris, kan vi 3D-bioprinta från detta prov 100 små tumörer och testa många olika läkemedel i olika kombinationer för att upptäcka den optimala behandlingen för denna specifika tumör. Alternativt kan vi testa många föreningar på en 3D-bioprintad tumör och avgöra vilken som är mest lovande för vidare utveckling och investeringar som potentiellt läkemedel. Men den kanske mest spännande aspekten är att hitta nya läkemedelsbara målproteiner och gener i cancerceller – en mycket svår uppgift när tumören finns i hjärnan på en mänsklig patient eller modelldjur. Vår innovation ger oss oöverträffad tillgång, utan tidsbegränsning, till 3D-tumörer som bättre efterliknar det kliniska scenariot, vilket möjliggör optimal undersökning.”

Länk till forskningsvideon: https://www.youtube.com/watch?v=oUjuFyLF5nM