This story was published in English on December 18th, 2023.
Las células cancerosas que crecen en un espacio tridimensional (3D) se enfrentan a interacciones celulares únicas, limitaciones mecánicas y un acceso variable a nutrientes, oxígeno y otros factores solubles que pueden regular procesos clave de las células tumorales, como supervivencia, metástasis y resistencia a fármacos. Para crear nuevos modelos que representen mejor estas características tumorales sin utilizar animales, los equipos de investigación han fabricado imitaciones de tejidos u órganos a pequeña escala. "Los tejidos y órganos en chips son sistemas microfisiológicos tridimensionales que contienen unidades celulares humanas diseñadas para simular la estructura y función de tejidos y órganos complejos", explicó el Dr. Chris Miller, científico de la Universidad de Washington y del Centro Oncológico Fred Hutchinson. "Reciben el nombre de chips porque la fabricación de estos dispositivos microfluídicos, que usualmente se realizan con materiales a base de silicona, se asemeja a la microfabricación de chips informáticos". En el laboratorio del Dr. Shreeram Akilesh en la Universidad de Washington, el Dr. Miller y sus colegas fabricaron un "carcinoma de células renales (CCR) en chip, un sistema 3D vascularizado humano para estudiar la angiogénesis tumoral renal". El sistema se puede utilizar para conocer más sobre este complejo cáncer de riñón, una enfermedad incurable para la mayoría una vez que se vuelve metastásica. En la actualidad, el campo carece de terapias dirigidas eficaces para tratar estos tumores sólidos y de procedimientos que limiten la metástasis del CCR. Los doctores Miller y Akilesh se interesaron por utilizar el sistema CCR en chip para investigar la mecánica de la administración de inmunoterapia en los tumores sólidos de CCR. Al liderar este esfuerzo, el Dr. Miller dijo "colaboré con el Dr. Hootie Warren, pionero en inmunoterapia con células T y cuyo interés en el cáncer de riñón es de larga trayectoria, el Dr. Scott Tykodi, quien dirige el programa clínico del CCR, junto con la Dra. Yuexin Xu, inmunóloga computacional centrada en el CCR". Dicho equipo de investigación diseñó un sistema CCR en chip 2.0. Las conclusiones a las que se llegaron mediante su plataforma adaptada revelaron que las células T y la inmunoterapia basada en células T no pueden migrar fácilmente a través de la densa matriz representativa del tumor sólido. Sin embargo, en este sistema pudieron medirse observaciones intrigantes de la migración tumoral y la apoptosis, lo cual destacó capacidades clave para su uso en la identificación de fármacos contra el CCR metastásico que combatan la migración y el cáncer. Estos hallazgos se publicaron recientemente en Neoplasia.
En primer lugar, el equipo de investigación quería comprender mejor las diferencias de expresión génica entre los sistemas de cultivo de células de CCR bidimensional (2D) estándar y 3D estructuralmente complejos. Para lograrlo, analizaron los cambios en los niveles de expresión génica entre las dos condiciones de cultivo de dos líneas celulares humanas de CCR. En comparación con las células cultivadas en 2D, el sistema esferoidal 3D de CCR presentaba un menor enriquecimiento de factores de crecimiento celular, pero un mayor enriquecimiento de genes implicados en la transición de epitelio a mesénquima. Estas observaciones estuvieron respaldadas con otras en que las células de CCR en 2D seguían creciendo en cultivo, mientras que el crecimiento de los esferoides de CCR en 3D era limitado. Así mismo, los fármacos citotóxicos fueron más eficaces para destruir los esferoides de CCR que las células cultivadas en 2D. Por último, la transición de epitelio a mesénquima a menudo está vinculada con la migración de las células tumorales. Además, una observación emocionante del equipo de investigación fue la migración de los esferoides en la plataforma CCR en chip desde la parte inferior a la superior del chip. Este fenotipo resultó sorprendente y despertó la idea de investigar la migración de células tumorales y la infiltración de células T diseñadas para destruir células cancerosas.
El siguiente paso era determinar qué fármacos contra la migración eran capaces de impedir la migración de los esferoides en la plataforma CCR en chip. Megan Fung, estudiante de bioingeniería y becaria emergente Mary Gates y Levinson, elaboró un método fiable para la cuantificación imparcial de la muerte celular en el CCR en chip que se realizó junto con los tratamientos de fármacos contra la migración para evaluar en conjunto la muerte celular y la migración de los esferoides. Curiosamente, varios de estos fármacos (latrunculina, blebbistatina y AT13148) restringieron la migración sin matar las células, lo que demuestra una separación entre las vías que intervienen en la supervivencia y la migración del CCR. Este descubrimiento resalta la posible aplicación de la plataforma CCR en chip para examinar los mecanismos específicos que impulsan la metástasis del CCR.
Después de la caracterización del sistema en chip, el equipo de investigación en colaboración con la Dra. Carla Jaeger-Ruckstuhl se ocupó de su objetivo de estudio principal, la infiltración de células T en tumores sólidos de CCR. Realizaron ensayos de migración de células T en la plataforma CCR en chip en dos configuraciones de matriz normal de baja densidad o matriz extracelular (MEC) de alta densidad similar a la tumoral. "Descubrieron que, mientras que las células T infiltraban abundantemente los chips que contenían colágeno con la rigidez de los tejidos sanos normales, esta migración se reducía drásticamente en los chips que contenían colágeno con la rigidez de los tumores y limitaba la destrucción de los esferoides dependiente del antígeno tumoral", declaró el Dr. Miller. "Este sistema muestra un desafío clave que las células T terapéuticas probablemente enfrentan en su camino para destruir tumores sólidos con una MEC densa". El Dr. Miller continuó explicando que se han realizado importantes esfuerzos en ingeniería de células T para eliminar las células cancerosas, así como métodos para superar la inmunosupresión en los microambientes tumorales, pero se sabe menos sobre las barreras físicas de la infiltración de células T en los tumores sólidos de CCR.
Dado que la MEC que rodea al tumor proporciona resistencia física a la infiltración de células T, es posible que las inmunoterapias basadas en células T tengan menor eficacia para la mediación de la muerte de células tumorales en el sistema 3D en comparación con el sistema 2D. Las células T con receptores de antígenos quiméricos (CAR por sus siglas en inglés) diseñadas para atacar y destruir células cancerosas específicas podrían desempeñar esta función en 2D en una proporción entre células T con CAR y células tumorales de 0.5:1. Para aumentar las probabilidades de destrucción de las células tumorales mediante células T con CAR, el equipo de investigación añadió los esferoides tumorales y las células T con CAR al mismo tiempo. En estas condiciones, para una matriz similar a la tumoral, fue necesario añadir 8 veces más células T con CAR en la plataforma en chip que en el sistema 2D para conseguir la misma destrucción de células tumorales. La utilización de esta plataforma de CCR en chip brindará información sobre la barrera física del tejido tumoral denso y sobre cómo eliminarla. "Ahora vamos a añadir una barrera de vasos sanguíneos a los chips y ya diseñamos métodos para aislar a las células T de los chips que sí logran infiltrarse en el colágeno rígido", comentó el Dr. Miller. "Planeamos identificar las propiedades de las células T que son competentes tanto para atravesar los vasos sanguíneos tumorales como para infiltrar el colágeno, y así fabricar un producto terapéutico de células T con capacidad superior de infiltración en tumores sólidos". El equipo de investigación espera que este CCR en chip sea relativamente sencillo de utilizar para otras personas en el estudio sucesivo del CCR en 3D. Estas investigaciones iniciales subrayan la importancia de estudiar los sistemas cancerígenos en modelos tridimensionales pertinentes para contribuir al desarrollo de terapias oncológicas innovadoras.
La investigación destacada recibió financiamiento del Department of Defense Kidney Cancer Research Program, la Mary Gates Research Scholarship, el generoso apoyo de donantes altruistas al Laboratorio Warren y la Consortium Cancer Center Support Grant.
Los doctores Hootie Warren, Shreeram Akilesh y Scott Tykodi, integrantes del Fred Hutch/University of Washington/Seattle Children's Cancer Consortium, contribuyeron a este trabajo.
Miller CP, Fung M, Jaeger-Ruckstuhl CA, Xu Y, Warren EH, Akilesh S, Tykodi SS. 2023. Therapeutic targeting of tumor spheroids in a 3D microphysiological renal cell carcinoma-on-a-chip system. Neoplasia. 46:100948.
Este artículo fue traducido de la versión original en inglés al español por Ángela María Carvajal con la revisión de Adriana Nodal-Tarafa en coordinación con las escritoras actuales Joselyn Landazuri y Annabel Olson.