Three-dimensional tumor-stroma co-culture system development using self-assembling peptide scaffolds

Abstract

Cancer research has traditionally relied on 2D cell culture, focusing mainly on cancer cells and its disrupted genetics. However, tumors have been accepted as complex tissues, and as such, they need signals from a 3D environment to form tissue structures in vitro. Moreover, cancer cells behavior can only be deciphered considering the contribution of the cells existing in the tumor stroma as well as its complex microenvironment. Since the tumor microenvironment plays an important role in cancer progression, it is widely accepted that culturing cells in 3D scaffolds, which mimic the native extracellular matrix, represents a more realistic scenario. In the present work we aim to develop an in vitro 3D co-culture system that would comprise both cancer and stromal cells. For that, HeLa cells were injected into a RAD16-I peptide scaffold containing fibroblasts, resulting in a 3D system were cancer cells were embedded within a stromal cells matrix. With this system, we were able to study cancer cells behavior in a 3D context in terms of survival, migration and proliferation. Moreover, we have demonstrated that the anti-cancer effect of different pharmaceutical drugs (Gemcitabine, 5-Fluorouracil and the ROCK inhibitor Y-27632) can be qualitatively and quantitatively evaluated on the 3D co-culture system developed.

La investigación en cáncer se ha basado tradicionalmente en los cultivos celulares en 2D, centrándose mayoritariamente en las células cancerígenas y su genética anómala. No obstante, los tumores son actualmente aceptados como tejidos complejos, y como tales, necesitan señales de un ambiente 3D para formar estructuras tisulares in viro. Además, el comportamiento de las células tumorales solo puede ser descifrado considerando también la contribución de las células existentes en el estroma del tumor, así como de su complejo microambiente. Debido a que el microambiente del tumor tiene un papel importante en la progresión del cáncer, es ampliamente aceptado que cultivar las células en scaffolds 3D, que imitan la matriz extracelular nativa, representa un escenario más realista. En este trabajo tenemos como objetivo desarrollar un sistema in vitro de co-cultivo 3D, que comprensa tanto células cancerígenas como células estromales. Para esto, las células HeLa fueron inyectadas en el scaffold peptídico RAD16-I, que contenía fibroblastos, resultando en un sistema 3D donde las células cancerígenas quedaban rodeadas por una matriz de células estromales. Con este sistema hemos sido capaces de estudiar el comportamiento de las células tumorales en un contexto 3D, en términos de supervivencia, migración y proliferación. Además, hemos demostrado que el efecto anticancerígeno de diferentes fármacos (Gemcitabina, 5-Fluorouracilo y el inhibidor de ROCK Y-27632) pueden ser cualitativamente i cuantitativamente evaluado en el sistema de co-cultivo 3D desarrollado.

La recerca en càncer s’ha basat tradicionalment en els cultius cel·lulars en 2D, centrant-se sobretot en les cèl·lules cancerígenes i la seva genètica anòmala. No obstant, els tumors són actualment acceptats com a teixits complexos, i com a tals, necessiten senyals d’un ambient 3D per a formar estructures tissulars in vitro. A més, el comportament de les cèl·lules tumorals només pot ser desxifrat considerant també la contribució de les cèl·lules existents en l’estroma del tumor, així com del seu complex microambient. Ja que el microambient del tumor juga un paper important en la progressió del càncer, és àmpliament acceptat que cultivar les cèl·lules en scaffolds 3D, que imiten la matriu extracel·lular nativa, representa un escenari més realista. En aquest treball tenim com a objectiu desenvolupar un sistema in vitro de co-cultiu 3D, que comprengui tant cèl·lules cancerígenes com cèl·lules estromals. Per a això, les cèl·lules HeLa varen ser injectades en l’scaffold peptídic RAD16-I que contenia fibroblasts, resultant en un sistema 3D on les cèl·lules cancerígenes quedaven rodejades per una matriu de cèl·lules estromals. Amb aquests sistema hem sigut capaços d’estudiar el comportament de les cèl·lules tumorals en un context 3D, en termes de supervivència, migració i proliferació. A més a més, hem demostrat que l’efecte anti-cancerigen de diferents fàrmacs (Gemcitabina, 5-Fluorouracil i l’inhibidor de ROCK Y-27632) por ser qualitativament i quantitativament avaluat en el sistema de co-cultiu 3D desenvolupat.