IntravChip: a vascularized and perfused microfluidic model of the primary tumor microenvironment to collect intravasated tumor cells

De auteurs presenteren IntravChip, een geprefundeerde microfluidische platform dat een vasculair gemodelleerd primaire tumoromgeving nabootst om intravasatie van tumorcellen te observeren, deze cellen te verzamelen voor karakterisering en de effectiviteit van anti-kankertherapieën te testen.

De kern

Stel je voor dat kanker een dief is die probeert uit een huis (je lichaam) te ontsnappen. Meestal zit de dief vast in de kamer (de tumor), maar soms kruipt hij door een raam (de bloedvaten) naar buiten om zich elders in het huis te verstoppen. Dit moment van ontsnappen heet intravasatie.

Het probleem is dat dit ontsnappen in het echte menselijk lichaam zo snel en zeldzaam gebeurt, dat het bijna onmogelijk is om het te zien of de dief te vangen voordat hij weg is.

In dit onderzoek hebben wetenschappers een slim nieuw apparaatje bedacht, genaamd de IntravChip. Hier is hoe het werkt, vertaald naar alledaags taal:

1. De "Kleuterschool" voor Kankercellen

Stel je de IntravChip voor als een heel klein, glazen dorpje.

• Het huis: In het midden zit een stukje gel dat precies lijkt op een tumor. Hier wonen kankercellen.
• De straten: Door dit gel lopen kleine, levende bloedvaten (gemaakt van menselijke cellen).
• De stroom: Er loopt continu water (voedingsvloeistof) door deze straten, net als een rivier die door een stad stroomt.

2. De "Vangnet"

Aan het einde van deze rivier zit een speciale kamer: de vangkamer.
In het echte lichaam verdwijnen de ontsnapte kankercellen direct in de enorme bloedstroom en zijn ze kwijt. Maar in dit apparaatje stroomt de rivier uit in een rustig meer (de vangkamer). Als een kankercel eruit springt, zwemt hij mee met de stroom en zakt hij naar de bodem van dit meer, waar hij blijft liggen.
Dit is revolutionair: voor het eerst kunnen wetenschappers de "ontsnapte" cellen vangen en tellen, alsof je vissen uit een rivier in een emmer vangt om ze te bestuderen.

3. Wat hebben ze ontdekt?

Met dit apparaatje hebben ze een paar belangrijke dingen ontdekt:

• De stroom is cruciaal: Als je de rivier laat stromen, groeien de bloedvaten beter en ontsnappen er veel meer kankercellen. Zonder stroom (stil water) gebeurt er bijna niets. De stroom helpt de cellen letterlijk naar buiten te duwen.
• Niet alle kankers zijn even snel: Ze hebben verschillende soorten kankercellen getest. Sommige (zoals een agressieve borstkanker) springen heel vaak de rivier in. Andere (een minder agressieve vorm) blijven liever in de kamer zitten. Het apparaatje kan dit verschil heel goed meten.
• De "vermomming" van de dief: Ze hebben zelfs heel klein gekeken (met een super-microscoop) naar de binnenkant van de ontsnapte cellen. Ze zagen dat de "verpakking" van het DNA in de ontsnapte cellen anders is dan in de cellen die nog in de tumor zaten. Het is alsof de dief zijn uniform verandert zodra hij over de muur is. Dit helpt ons te begrijpen hoe ze zich aanpassen aan het nieuwe milieu.

4. De "Rem" testen (Medicijnen)

Het allerbelangrijkste: ze hebben het apparaatje gebruikt om medicijnen te testen. Ze gaven een medicijn (Sorafenib) aan het water.

• Resultaat: Bij een lage dosis remde het medicijn het ontsnappen van de kankercellen met bijna 70%, zonder de bloedvaten zelf te beschadigen.
• Bij een hoge dosis: Remde het ontsnappen nog meer, maar dan werden de bloedvaten ook kleiner en zwakker.

Dit betekent dat artsen in de toekomst met zo'n apparaatje precies kunnen zien: "Dit medicijn stopt de ontsnapping, maar beschadigt niet de bloedvaten" of "Dit medicijn is te sterk en doet de vaten kapot."

Samenvatting

De IntravChip is als een slimme, glazen val voor kankercellen. Het laat ons zien hoe kanker probeert te ontsnappen, helpt ons de "ontsnappers" te vangen om te bestuderen, en geeft ons een manier om medicijnen te testen die de ontsnapping stoppen, voordat we ze aan echte mensen geven. Het is een enorme stap voorwaarts in de strijd tegen kanker.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Hematogene metastase begint wanneer tumorcellen (TC's) intravaseren, d.w.z. de bloedbaan binnendringen vanuit de primaire tumor. Dit proces is echter slecht begrepen vanwege twee hoofdoorzaken:

1. Observatieproblemen: Intravasatie is een zeldzaam en tijdelijk fenomeen in vivo, wat directe observatie en kwantificering uiterst moeilijk maakt.
2. Isolatieproblemen: Het is technisch uitdagend om de geïntreverteerde tumorcellen te isoleren voor verdere analyse.

Bestaande in vitro modellen (zoals 2D-culturen of eenvoudige 3D-sferoïden) missen vaak de complexe 3D-architectuur, de dynamische bloedstroom en de mogelijkheid om de cellen die de vasculatuur hebben binnengedrongen daadwerkelijk op te vangen. Er is een kritiek behoefte aan een platform dat directe observatie, kwantitatieve meting van intravasatiepercentages en herstel van de cellen mogelijk maakt.

Methodologie: De IntravChip

De auteurs hebben de IntravChip ontwikkeld, een continu geproduceerd microfluidisch platform dat specifiek is ontworpen om de primaire tumoromgeving (TME) te modelleren en intravaserende cellen op te vangen.

• Opbouw: Het apparaat bestaat uit een cilindrisch gelgebied (de TME) dat wordt omringd door twee media-kanalen. De TME bevat een 3D-matrix (fibrine) met endotheelcellen (EC's), fibroblasten (FB's) en tumorcellen.
• Perfusie: Een microfluidische pomp zorgt voor een continue, recirculerende unidirectionele stroom door de media-kanalen. Dit creëert een drukgradiënt die de vasculaire netwerken (MVN's) perfundeert.
• Opvangkamer: Downstream van de TME bevindt zich een speciale "opvangkamer". De stroming transporteert intravaserende cellen naar deze kamer, waar ze door zwaartekracht bezinken en aan de bodem hechten, waardoor ze kunnen worden verzameld.
• Simulaties: Computergestuurde deeltjesvolgsimulaties (met COMSOL en MATLAB) werden gebruikt om de geometrie van de opvangkamer te optimaliseren. De simulaties bevestigden dat bij een stroomsnelheid van 2 µL/s cellen met een diameter van 10-15 µm en een dichtheid >1040 kg/m³ effectief bezinken zonder dat de wandschuifspanning (wall shear stress) hoog genoeg is om ze los te maken (<0,6 mPa).
• Cellen: Er werden verschillende celtypen gebruikt, waaronder MDA-MB-231 (hoog metastatisch borstkanker), MV3 (melanoom), SN12-PM6 (niercelkanker) en MCF-7 (laag metastatisch).
• Analyse: De studie omvatte confocale microscopie, super-resolutie nano-imaging (STORM) voor chromatinestructuur, en kwantitatieve beeldanalyse. Ook werd het effect van het medicijn Sorafenib getest.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste platform voor verzameling: Het is het eerste in vitro model dat niet alleen intravasatie visualiseert, maar ook een fysieke methode biedt om de geïntreverteerde cellen te verzamelen voor downstream analyse.
2. Fysiologische relevantie: Het model ondersteunt een hoge dichtheid van tumorcellen in de TME terwijl de vasculaire netwerken volledig geproduceerd blijven, wat essentieel is voor het simuleren van de in vivo situatie.
3. Multischaal analyse: Het platform is compatibel met super-resolutie imaging (STORM), waardoor onderzoek mogelijk is op nanoschaal (chromatine-architectuur) naast macroscopische observaties.
4. Drugsscreening: Het dient als een robuust platform om de effecten van anti-kankermedicijnen op zowel tumorcellen als de vaatstructuur te testen.

Resultaten

• Invloed van stroming:

  • Continue perfusie leidde tot een significant betere vasculaire morfologie (15% meer oppervlakte, 41% grotere diameter) en een 30% hogere proliferatie van tumorcellen vergeleken met statische condities.
  • Cruciaal: Stroming is noodzakelijk voor het verzamelen van cellen. In statische condities werden slechts ~12 cellen verzameld, terwijl onder stroming 100-440 cellen werden gevonden.

• Invloed van tumorcel-dichtheid en type:

  • Een initiële zaaidichtheid van 1000 cellen per apparaat resulteerde in de hoogste absolute aantallen geïntreverteerde cellen (gemiddeld 102 cellen op dag 9).
  • Hoewel lage dichtheden een hoger percentage intravasatie per cel toonden, leverden hoge dichtheden de meeste cellen op voor analyse.
  • Verschillende celtypen vertoonden de verwachte verschillen in invasiviteit: MDA-MB-231 en MV3 (hoog metastatisch) hadden de hoogste intravasatiepercentages, terwijl MCF-7 (laag metastatisch) zeer inefficiënt was.

• Nano-structuur van chromatine (STORM):

  • STORM-imaging toonde aan dat intravaserende cellen een andere chromatine-organisatie hebben dan cellen in de primaire tumor.
  • Hoewel de totale hoeveelheid H3K9me3 (heterochromatine) gelijk bleef, waren de nanodomeinen in de intravaserende cellen kleiner (gemiddeld 81,7 nm vs 126,7 nm) en meer verspreid. Dit suggereert dat mechanische stress tijdens het intravaseren de chromatine-architectuur herstructureert.

• Drugseffecten (Sorafenib):

  • Een dosis van 5 µM Sorafenib verlaagde het aantal intravasatie-gebeurtenissen met 69% zonder de morfologie van het vaatnetwerk te beïnvloeden.
  • Een dosis van 10 µM leidde tot een significante afname van de vaatdiameter en het vaatoppervlak.
  • Dit bewijst dat het platform kan onderscheiden tussen effecten op tumorproliferatie, intravasatie en vaatintegriteit.

Betekenis en Conclusie

De IntravChip vult een cruciale leemte in de metastase-onderzoeksveld door een brug te slaan tussen in vitro modellen en in vivo realiteit. Het platform stelt onderzoekers in staat om:

1. De mechanismen van intravasatie mechanistisch te ontleden.
2. Direct toegang te krijgen tot metastatische cellen voor moleculaire karakterisering (zoals de gevonden veranderingen in chromatine).
3. Preklinische screenings van anti-metastatische therapieën uit te voeren die specifiek gericht zijn op het voorkomen van het binnendringen van cellen in de bloedbaan.

De studie bevestigt dat mechanische krachten (stroming) en micro-omgevingsfactoren (celdichtheid, celtype) de intravasatie sterk beïnvloeden, en biedt een krachtig nieuw instrument voor de ontwikkeling van nieuwe kankertherapieën.