مقالات

بررسی تأثیر توپوگرافی سطح بر رفتار سلولهای سرطانی

نویسنده: فرزانه اعواني، دانشجوي دکتري مهندسي بافت، دانشگاه صنعتي اميرکبير

در سالهای گذشته پیشرفتهای مهمی در توسعه مدل های سه بعدی آزمایشگاهی صورت پذیرفته است.

یک داربست مهندسی بافت شده را میتوان به نوعی یک نمونه ساده شده از شرایط بیولوژیک دقیق بافت مورد مطالعه بهحساب آورد. در ارگانهایی که چند نوع سلول حضور دارند، سلولهای بافت در یک ساختار سه بعدی بسیار منظم بوده و با ECM احاطه شده اند.


تومورها نیز ساختاری مشابه با اعضای بدن دارند و ترکیب شیمیایی و سفتی ECM آنها نقش اساسی در توسعه آنها دارند. عجیب نیست که سیگنالهای میکرو محیط در تعیین ابعاد اگزوزوم های یافت شده در بافت تومور طبیعی مهم باشند.

در حالی که نه سه بعدی بودن صرف و نه جنس محیط (جنس پلیمرهای coat شده برروی ظروف کشت تکلایه) موجب مشابه شدن سایز اگزوزومها به نمونه های گرفته شده از پلاسمای خون بیماران نمیشود.

همچنین یافت شد که mRNA EZH2 ترشحشده از داربست مهندسی بافت در سطحی بالاتر از اگزوزوم های خروجی از ظروف کشت تکلایه بوده است. این اگزوزومهای خروجی از بافت تومور بر سلولهای مجاور خود تأثیر گذاشته و مسیر را برای رشد تهاجمی خود هموارتر میکند.

مهاجرت در سلول های سرطانی عموماً به واسط اینتگرینها، آنزیمهای تخریبکننده ماتریکس و ملکولهای چسبندگی سلول به سلول صورت پذیرفته و به وسیله جریان خون و لنف به سمت ارگانهای مجاور حرکت میکنند. این پدیده موجب پراکنده شدن سلولهای سرطانی از بافت اصلی تومور به بافتهای اطراف میشود و اساس رفتار تهاجمی و متاستاز در این سلولها میشود.


در این مطالعه کلیت توپوگرافی سطح مورد مطالعه قرار گرفته و سلولهای مختلف با اصالت هیستولوژی متفاوت و خواص متاستاتیک مختلف بررسی شدند. در واقع برای مشخصکردن تأثیر توپوگرافی بر روی سلولها، بر روی سطح الگوهایی (Pattern)  به اشکال نوارهای با سطح مقطع چهارگوش و مواج ایجاد شده است.

عمق این الگوها در حدود ۱ میکرومتر بوده که از ابعاد خود سلول کوچکتر است و برای آن قابل درک است. پس از چسبندگی سلولها به این سطوح، به نوعی در جهت آنها آرایشیافتگی بهدست آوردند اما کاملاً به آنها محدود نشدند. همچنین الگوهای سطح قابلیت تأثیر بر جهت گیری مهاجرت سلولها داشته باشد.

بر روی تمام سطوح تستشده، سلولهای سرطانی در مقایسه با سلولهای شبه استئوبلاست، با سرعت کمتری حرکت میکنند و این نشان میدهد که سرعت حرکت سلولهای از پایه اپی تلیالی بیشتر از سلولهای استخوانی است.


همچنین تأثیر زیرلایه بر سرعت مهاجرت کاملاً به نوع سلول وابسته است. برای مثال سلول MC3T3-E1 بر روی سطوح با الگو مربعی سرعت مهاجرت بالاتری را نسبت به سطح صاف از خود نشان میدهند درحالیکه تغییری در سرعت حرکت سلولهای سرطانی در این الگوها به وجود نیامد.

به نوعی میتوان گفت که سلولهای سرطانی تغییر الگو سطح را احساس نمیکنند. سلولهای سرطانی بیشترین حساسیت را به الگو کشیده با مقطع چهارگوش دارند. سلولهای Hela سرعت حرکت بالاتری را در این نوع الگو نسبت به سطح صاف دارند.

شکل ۱: تفاوت سرعت حرکت لاینهای مختلف سلولها بر روی سطوح با الگوهای متفاوت

همچنین برای درک بهتر از تأثیر ویژگیهای مهاجرت سلولها، رفتار سلولهای به دست آمده از یک منشأ سلولی مورد بررسی قرار میگیرد. سلولهای HeyA8 (سلولهای سرطانی تخمدان) نیز برروی الگوهای متفاوت سطحی کشت داده شدند.

همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، این دو لاین سلولی، مورفولوژی مشابهی بر روی سطوح صاف به خود گرفتند اما بر روی سطح شیاردار، نمونه غیر متاستاتیک تبعیت بیشتری از الگوهای سطحی دارند.

شکل ۲: نمونه متاستاتیک و غیر متاستاتیک و رفتار آنها بر روی سطوح
شکل ۳: نمودار سرعت حرکت سلول ها بر روی سطوح با الگوهای مختلف

نکته جالب توجه سرعت برابر مهاجرت سلولهای غیر متاستاتیک بر روی سطوح صاف و دارای الگو شیاردار است. اما سرعت حرکت سلولهای متاستاتیک بر روی سطح شیاردار بیشتر از سطوح صاف بوده است (شکل۳).

همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده، قرارگیری سلولهای متاستاتیک در قید الگوهای تعیینشده بر روی سطح نمیباشد. این رفتار در زمینه حرکتی آنها نیز صادق است.

مهاجرت هر دو نوع این سلولها HeyA8 بر روی سطوح صاف و شیاردار نشان میدهد که سلول های غیر متاستاتیک در داخل شیار محدود به حرکت بوده اما نوع متاستاتیک محدودیت چندانی از طرف شیارهای سطح حس نکرده و در بین آنها نیز میتواند آزادی حرکت داشته باشد.

این نکته میتواند مُبین این موضوع باشد که رفتار مهاجرتی در ذات سلولهای متاستاتیک است و به نوعی آنها متعهد به مهاجرت هستند که این خود زمینه ساز رفتارهای تهاجمی آنهاست.

شکل ۴: حرکت سلولهای غیر متاستاتیک (بالا) و متاستاتیک (پایین)

تأثیر تنش های مکانیکی بر پاسخهای سلولهای سرطانی
در فرآیند توسعه داروهای ضد سرطان، اغلب داروهای در حال توسعه، نتایج فاز پیش بالینی (Preclinical) رضایتبخشی دارند در حالی که تنها ۷ درصد از آنها به مرحله استفاده کلینیکی میرسند. مطالعات ایمنی و میزان بازده دارو در حال حاضر بر روی نمونه های کشت داده شده در ظروف دو بعدی صورت میپذیرد.

سلولهای سرطانی در این شرایط از میکرومحیط بافت خود محروم هستند و تمایل دارند به دلیل سازگاری با شرایط دور از محیط اصلی، فنوتیپ توموری خود را از دست بدهند. نمونه های حیوانی که در فرآیند توسعه این داروها مورد استفاده قرار میگیرند نیز نمیتوانند خروجی های کلینیکی را پیشبینی کنند. بدین منظور بهرهگیری از دانش مهندسی بافت برای هرچه شبیه تر کردن محیط آزمایش به شرایط طبیعی بافت مورد بررسی ضروری است و میتواند راهگشا باشد.


به طورکلی سیگنالهای مکانیکی برای مطالعه درونتنی (In Vivo) بسیار پیچیدهاند و مدلسازی آنها در آزمایشگاه (In Vitro) بسیار چالشبرانگیز است. در واقع تمام بافتهای درون بدن ما تحت نیروهای مکانیکی قرار میگیرند که بهوسیله سلولها دریافت شده و به فاکتورهای بیوشیمیایی تبدیل گردیده که مسیرهای درونسلولی را فعال میکنند.


بهعنوان نتیجهگیری، تحریک مکانیکی نقش اساسی در توسعه بافتها و بیماریهایی همچون سرطان ایفا میکند. برای مثال یووینگ سارکوما (Ewing Sarcoma) دومین تومور استخوانی شایع، در محیط تحت تنشهای مکانیکی به سرعت رشد میکند. با وجود درمان های چندگانه، نرخ زنده مانی در بیماران مبتلا به این بیماری بسیار پایین باقی مانده است. یکی از راه های امیدوارکننده هدفگیری گـیرنده های سطح سلولی تیـروزین کـیناز ((Receptor Tyrosine Kinases (RTKs) است.

اتصال لیگاند به این گیــرنده ها یک مســیر سیـگنالی کاهنده به واســطه سیــگنال خــــارج ســـلولی کیـــــــناز رگـــــوله شده ((Extracellular-signal Regulated Kinase (ERK1/2) را فعال میکند. مسدودکردن ERK1/2 منجر به کاهش تکثیر سلولی و زندهمانی در بسیاری از تومورها میشود.

با وجود چنین نتایج امیدوارکنندهای در مدلهای پیشبالینی تومور ES، استفاده از ممانعتکنندههای RTK اثر بسیارکم یا هیچ تاثیری بر بیماران در فاز بالینی نداشته است.
اخیراً مطالعات نشان داده است که سلولهای مزانشیمی در معرض بارگذاری مکانیکی قرار گرفته، موجب فعالسازی فاکتور RUNX2 که خود از تحریک ERK1/2 به وجود میآید، میشود.

این فاکتور یک عامل رونویسی و عامل تمایز به استخوان میباشد. علاوه بر این RUNX2 باعث زنده مانی و افزایش مقاومت سلولها به دارو میشود.


در این پژوهش مدلی برای نشاندادن پاسخ سلولهای ES به بارگذاری مکانیکی و تعیین سطح بیان RUNX2 ساخته شده است. این مدل مهندسی بافت داربستی از جنس هیالورنیک اسید (Hyaluronic acid) و کلاژن نوع I و با ساختاری متخلخل است که کشت بر روی آن انجام گرفته و به مدت ۴۸ ساعت در شرایط متورم آزاد قرار گرفته است.

سپس مدل درون بیوراکتور قرار گرفته تا شرایط تنشهای استخوان شبیه سازی شود. کرنشهای واردشده به نمونه ها برابر با ۱ و ۱۰ درصد است که بهترتیب برای شبیه سازی شرایط استخوان و غضروف بوده است. نمونه های کنترل داخل همان داربست و بدون ایجاد تنش مکانیکی کشت داده شدهاند (شکل ۵).

شکل ۵: فرآیند کشت سلولهای تومور و اعمال تحریک مکانیکی

بارگذاری های شبه استخوان (۱%) موجب افزایش سطح mRNA RUX2 و واسطههای هدف آن شامل OPN, MMP9, PTHrP, MMP13 ,BSP که خود از عوامل توسعهدهنده سرطان هستند، میشود (شکل ۶).

شکل ۶: مقایسه سطح فاکتورهای مربوط به افزایش فعالیت

تومور تحت بارگذاری مکانیکی

همان طور که اشاره شد تحریکهای مکانیکی منجر به فعالشدن گیرنده های ERK1/2 شده که خود واسطه ای برای ترشح RUNX2 است.
بازدارنده های گیرنده تیروزین کیناز (RTKIs) کوچک ملکول هایی هستند که به عنوان درمان سرطان به کار برده میشوند. این ممانعت کننده ها با اتصال به گیرنده های RTK باعث کاهش در فعالیت سلول میشود.


با وجود این که این ممانعتکننــدهها همچون Sorafenib, Imatinib, Sunitinib برای درمان ES درمحیط آزمایشگاهی بر روی ظروف کشت و حیواناتی همچون موش با موفقیت آزمایش شدهاند، مطالعات کلینیکی از شکست این داروها برای درمان این بیماری حکایت دارد.


در این پژوهش با بررسی همزمان اثر تنشهای مکانیکی و استفاده از این داروها در نمونه مورد بررسی و مقایسه اطلاعات بهدست آمده با نمونه های کشت داده شده در ظروف دو بعدی، نتایج جالب توجهی به دست آمد.


داربست مهندسی بافت شده تحت تنش ۱% (مشابه بافت استخوان) و در معرض ۰، ۱ و ۵ میکرومول از دارو قرار گرفته و به مدت ۴۸ ساعت مورد مطالعه بوده اند. نمونه ای که تنش مکانیکی بر روی آن اعمال نشده بود، پس از مدت ۴۸ ساعت کاهش ۳۰ درصدی را در تعداد سلولها و افزایش ۴۰ درصدی آپوپتوز را نشان داد.

در سوی مقابل، نمونه مورد تحریک مکانیکی قرار گرفته، که به همان میزان دارو Sorafenib بر روی آن اعمال شده بود، پس از مدت ۴۸ ساعت افزایش ۵۰ درصدی در رشد و کاهش آپوپتوز به ۸ درصد را موجب شد (شکل ۷).

شکل ۷: نمودار شاخص جمعیت سلولهای تحت بررسی با دارو و تنش مکانیکی
شکل۸: تصاویر زندهمانی سلولها تحت آزمایش

منابع مقاله

[۱] Dudley A, Cloer E, Melero-Martin J. The Role of Bone Marrow-Derived Progenitor Cells in Tumor Growth and Angiogenesis. Stem Cells and Cancer Stem Cells, 2012; 8: 45-54.
[2] Pasquet M, Golzio M, Mery E, Rafii A,  et al. Hospicells (ascites-derived stromal cells) promote tumorigenicity and angiogenesis. International Journal of Cancer. 2010; 126(9): 2090–۲۱۰۱٫
[۳] White, K.A., Grillo-Hill, B.K. and Barber, D.L., 2017. Cancer cell behaviors mediated by dysregulated pH dynamics at a glance. J Cell Sci, 130(4), pp.663-669.
[4] Zhou, S.F., Gopalakrishnan, S., Xu, Y.H., To, S.K., Wong, A.S., Pang, S.W. and Lam, Y.W., 2017. Substrates with patterned topography reveal metastasis of human cancer cells. Biomedical Materials, 12(5), p.055001.

 

نمایش بیشتر

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا
facilisis tristique mi, Praesent mattis libero dolor massa Nullam dolor. risus
بستن
بستن

adblock را غیر فعال کنید

سیستم زوم طب روشی را برای دور زدن تبلیغات در سیستم شما یافته است جهت حمایت از ما از استفاده از آن صرف نطر کنید