DOI: https://doi.org/10.1186/s12929-024-00994-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38221607
تاريخ النشر: 2024-01-14
المؤلف: Waad H. Abuwatfa وآخرون
الموضوع الرئيسي: الطباعة ثلاثية الأبعاد في البحث biomedical
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة أهمية زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد (3D) في أبحاث السرطان، مع تسليط الضوء على مزاياها مقارنةً بالأنظمة التقليدية ثنائية الأبعاد (2D). زراعات 3D تعيد تمثيل البيئة الدقيقة للورم (TME) بشكل أفضل، مما يسمح بإجراء دراسات أكثر دقة لسلوك الورم واستجابات العلاج. تسهل هذه الزراعة استكشاف التفاعلات المعقدة بين خلايا السرطان والمكونات الداعمة المحيطة بها، مما يجعلها بديلاً فعالاً من حيث التكلفة وأخلاقياً لنماذج الحيوانات. تؤكد المراجعة على التقدم في تقنيات الزراعة المعتمدة على الدعائم، والتي تعزز الأهمية الفسيولوجية لدراسات السرطان.
في الختام، أصبحت زراعات الخلايا ثلاثية الأبعاد المعتمدة على الدعائم أدوات أساسية للتحقيق في ديناميات الورم، واستجابات الأدوية، وتفاعلات الخلايا داخل TME. تقدم مواد الدعائم المختلفة، مثل البوليمرات، والهلاميات، والأنسجة غير الخلوية، خصائص فريدة تؤثر على سلوك الخلايا وتمكن من دراسة تقدم السرطان. على سبيل المثال، تسمح الدعائم البوليمرية بخصائص ميكانيكية قابلة للتعديل وإدماج جزيئات نشطة حيوياً، بينما توفر الهلاميات توافقاً حيوياً عالياً وتساعد في التحقيق في الإشارات الميكانيكية على نمو الورم. تحاكي الدعائم المصنوعة من الأنسجة غير الخلوية بشكل وثيق ECM الطبيعي، مما يعزز دقة دراسات سلوك الورم. بالإضافة إلى ذلك، تمكّن الدعائم الهجينة مع قنوات ميكروفلويدية الباحثين من دراسة تكوين الأوعية الدموية للورم واختراق الأدوية في سياق أكثر واقعية، مما يدعم فحص الأدوية عالي الإنتاجية وطرق الطب الشخصي.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث التحدي الكبير الذي تمثله السرطان في الصحة العامة، وهي مجموعة من الأمراض التي تتميز بنمو الخلايا غير المنضبط والتكاثر. على الرغم من التقدم في البحث والعلاج، لا يزال السرطان من الأسباب الرئيسية للوفيات في جميع أنحاء العالم، مما يستدعي جهوداً مستمرة لتحسين نتائج المرضى وتطوير علاجات فعالة. تؤكد الفهم المتطور لبيولوجيا السرطان وعلم الوراثة على الحاجة إلى أساليب مبتكرة في التشخيص والعلاج والوقاية، خاصة من خلال العلاجات الشخصية والمستهدفة التي تقلل من الآثار الجانبية.
تركز المقدمة بشكل كبير على قيود طرق زراعة الخلايا التقليدية ثنائية الأبعاد (2D)، والتي تستخدم على نطاق واسع في أبحاث السرطان. بينما تسمح زراعات 2D بإجراء دراسات محكومة على خلايا السرطان، فإنها تفشل في إعادة تمثيل الهيكل ثلاثي الأبعاد المعقد للأورام البشرية، التي تتكون من أنواع خلايا غير متجانسة وتفاعلات معقدة. يمكن أن تؤثر هذه الفجوة على سلوك الخلايا واستجابات الأدوية. لمعالجة هذه التحديات، تؤكد الورقة على تطوير نماذج زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد التي تعيد تمثيل الخصائص الهيكلية والوظيفية للأنسجة الحية بشكل أفضل. تهدف المراجعة إلى استكشاف مزايا زراعات الخلايا ثلاثية الأبعاد، والتقنيات الشائعة المعتمدة على الدعائم، والتطبيقات ذات الصلة في أبحاث السرطان، والتحديات المرتبطة بها، مع التركيز بشكل خاص على النماذج المعتمدة على الدعائم.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على الدور الحاسم لمصفوفة الخلايا خارج الخلوية (ECM) في بيولوجيا الورم، مع التأكيد على تأثيرها على سلوك خلايا السرطان، وتقدم الورم، واستجابات العلاج. لا توفر ECM الدعم الهيكلي فحسب، بل تشارك أيضاً بنشاط في مسارات الإشارات التي تنظم تكاثر الخلايا، والبقاء، وتكوين الأوعية الدموية. أظهرت أبحاث روميرو-لوبيز وآخرون أن ECM المستمدة من أنسجة الورم أظهرت تركيبات بروتينية وخصائص ميكانيكية مميزة، والتي أثرت بشكل كبير على تشكيل الشبكة الوعائية ونمو الورم في نماذج في المختبر وفي الجسم الحي. من الجدير بالذكر أن خلايا الورم المزروعة في ECM المستمدة من الورم أظهرت زيادة في النشاط الجليكولي، كما يتضح من ارتفاع مستويات نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد الحرة (NADH)، مما يبرز التغيرات الأيضية التي تسببها البيئة الدقيقة للورم.
يتم تقديم الانتقال من زراعات الخلايا التقليدية ثنائية الأبعاد إلى النماذج ثلاثية الأبعاد كخطوة محورية في أبحاث السرطان، حيث تعيد زراعات 3D تمثيل البيئة الدقيقة المعقدة للأورام بشكل أفضل، بما في ذلك التدرجات المكانية للمواد الغذائية والأكسجين، وتعزيز التفاعلات بين الخلايا والخلايا والمصفوفة. يسمح هذا التحول بنمذجة أكثر دقة لبيولوجيا الورم وتحسين تقييمات استجابة الأدوية. تميز الورقة أيضاً بين أنظمة الزراعة ثلاثية الأبعاد المختلفة، مثل الأورغانويدات والكرات، مع الإشارة إلى مزاياها وقيودها. بينما تحاكي الأورغانويدات هيكل الأنسجة الحقيقية بشكل وثيق، فإن الكرات تعمل ككتل أبسط لدراسة السلوكيات الخلوية الأساسية. بشكل عام، تدعو النتائج إلى الاستمرار في تطوير وتطبيق تقنيات زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد لتعزيز فهمنا للسرطان وتحسين استراتيجيات العلاج.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12929-024-00994-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38221607
Publication Date: 2024-01-14
Author(s): Waad H. Abuwatfa et al.
Primary Topic: 3D Printing in Biomedical Research
Overview
The section discusses the significance of three-dimensional (3D) cell cultures in cancer research, highlighting their advantages over traditional two-dimensional (2D) systems. 3D cultures better replicate the tumor microenvironment (TME), allowing for more accurate studies of tumor behavior and therapeutic responses. They facilitate the exploration of complex interactions between cancer cells and surrounding stromal components, making them a cost-effective and ethical alternative to animal models. The review emphasizes the progress in scaffold-based culturing techniques, which enhance the physiological relevance of cancer studies.
In conclusion, scaffold-based 3D cell cultures have become essential tools for investigating tumor dynamics, drug responses, and cell interactions within the TME. Various scaffold materials, such as polymers, hydrogels, and decellularized tissues, each offer unique properties that influence cell behavior and enable the study of cancer progression. For instance, polymer scaffolds allow for tunable mechanical properties and the incorporation of bioactive molecules, while hydrogels provide high biocompatibility and facilitate the investigation of mechanical cues on tumor growth. Decellularized tissue scaffolds closely mimic the natural ECM, enhancing the accuracy of tumor behavior studies. Additionally, hybrid scaffolds with microfluidic channels enable researchers to examine tumor angiogenesis and drug penetration in a more realistic context, supporting high-throughput drug screening and personalized medicine approaches.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the critical public health challenge posed by cancer, a group of diseases marked by uncontrolled cell growth and proliferation. Despite advancements in research and treatment, cancer remains a leading cause of mortality worldwide, necessitating ongoing efforts to improve patient outcomes and develop effective therapies. The evolving understanding of cancer biology and genetics underscores the need for innovative approaches in diagnosis, treatment, and prevention, particularly through personalized and targeted therapies that minimize side effects.
A significant focus of the introduction is on the limitations of traditional two-dimensional (2D) cell culture methods, which are widely used in cancer research. While 2D cultures allow for controlled studies of cancer cells, they fail to replicate the complex three-dimensional (3D) architecture of human tumors, which consist of heterogeneous cell types and intricate interactions. This discrepancy can impact cell behavior and drug responses. To address these challenges, the paper emphasizes the development of 3D cell culture models that better mimic the structural and functional characteristics of in vivo tissues. The review aims to explore the advantages of 3D cell cultures, common scaffold-based techniques, relevant applications in cancer research, and the associated challenges, with a specific focus on scaffold-based models.
Discussion
The discussion highlights the critical role of the extracellular matrix (ECM) in tumor biology, emphasizing its influence on cancer cell behavior, tumor progression, and therapeutic responses. The ECM not only provides structural support but also actively participates in signaling pathways that regulate cell proliferation, survival, and angiogenesis. Research by Romero-López et al. demonstrated that ECM derived from tumor tissues exhibited distinct protein compositions and mechanical properties, which significantly affected vascular network formation and tumor growth in both in vitro and in vivo models. Notably, tumor cells cultured in tumor-derived ECM displayed increased glycolytic activity, as indicated by elevated levels of free nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), underscoring the metabolic alterations induced by the tumor microenvironment.
The transition from traditional 2D cell cultures to 3D models is presented as a pivotal advancement in cancer research, as 3D cultures better replicate the complex microenvironment of tumors, including spatial gradients of nutrients and oxygen, and enhanced cell-cell and cell-matrix interactions. This shift allows for more accurate modeling of tumor biology and improved drug response assessments. The paper also distinguishes between various 3D culture systems, such as organoids and spheroids, noting their respective advantages and limitations. While organoids closely mimic the architecture of real tissues, spheroids serve as simpler aggregates for studying fundamental cellular behaviors. Overall, the findings advocate for the continued development and application of 3D cell culture techniques to enhance our understanding of cancer and improve therapeutic strategies.