Децеллюляризованные (ДЦЛ) органные матриксы являются перспективной платформой для создания моделей опухолей, альтернативной монослойным клеточным культурам и искусственным трехмерным скаффолдам. Способность нативного матрикса имитировать клеточное микроокружение позволяет изучать влияние физико-химических свойств матрикса на процессы инвазии, метастазирования и развитие устойчивости опухоли к лекарственным препаратам, а также выявлять механизмы тканевой специфичности различных видов опухолей и взаимодействия опухоль-организм. Целью работы являлось изучение влияния биомеханических параметров внеклеточного матрикса на морфологию и инвазивный потенциал различных клеточных линий рака молочной железы.

Нами разработан оригинальный протокол децеллюляризации органов мыши на основе дезоксихолата натрия, додецилсульфата натрия и Triton X-100. Чтобы проверить предположение о взаимосвязи между жесткостью/пористостью матрикса и его способностью к заселению опухолевыми клетками, была проведена рецеллюляризация ДЦЛ матриксов клетками рака молочной железы человека линий MDA-MB-231 и SKBR-3, которые распределялись внутри матрикса методом прямого вкола. Выбор этих линий обусловлен такими факторами, как разница в степени дифференцировки и инвазивном потенциале. Линия MDA-MB-231 относится к трижды-отрицательному типу рака молочной железы, характеризуется крайне низкой степенью дифференцировки, высоким инвазивным потенциалом и высокой пролиферативной активностью. Линия SKBR-3, в свою очередь, представляет собой высокодифференцированный рак, морфологически мало отличающийся от плоского эпителия, с низкой скоростью роста и низким инвазивным потенциалом.

Для анализа микроструктуры матрикса была использована сканирующая электронная микроскопия (Hitachi TM 4000Plus). При определении биомеханических свойств применяли макроиндентацию (Mach-1 TM v500csst) и наноиндентацию (Bioscope Resolve microscope). Для определения степени репопуляции был проведен стандартный гистоморфологический анализ и определение содержания ДНК.

Показано эффективное удаление клеток из органов мыши с использованием разработанного протокола с сохранением микроструктуры матриксов. Было определено, что матриксы значительно различаются по форме и размеру пор, толщине волокон и жесткости, что делает каждый орган уникальным с точки зрения возможностей взаимодействия клетки и матрикса. Значительная отрицательная корреляция и такая же сильная тенденция была обнаружена между плотностью матрикса, измеренной наноиндентированием, и степенью его репопуляции клетками MDA-MB-231 и SKBR-3 соответственно. В то же время не наблюдалось связи между степенью репопуляции и плотностью матрикса, измеренной макроиндентированием или пористостью. Это убедительно свидетельствует о том, что характеристики жесткости матрикса, проявляющиеся на уровне взаимодействия с отдельными клетками, являются критическими для адаптации клеток, в то время как жесткость и другие биомеханические свойства ткани в целом не имеют существенного значения. На основе этого можно предположить, что клеткам требуется определённый жёсткостный диапазон для оптимального роста, что приводит к возможности детерминирования потенциальных ниш для метастазирования. Исходя из вышесказанного, полученные данные в достаточной степени согласуются с опубликованной в литературе информацией и подтверждают возможную взаимосвязь между биомеханическими особенностями внеклеточного матрикса, и его влиянием на морфотип и инвазивный потенциал опухолевых клеток.



Работа выполнена в ходе выполнения проекта НЦМУ «Центр фотоники» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, договор № 075-15-2020-927, а также с использованием уникального научного оборудования Transgenebank.

Decellularized (DCL) organ matrices are a promising platform for creating tumor models alternative to monolayer cell cultures and artificial three-dimensional scaffolds. The ability of native matrix to mimic cellular microenvironment enables to study the influence of physical and chemical properties of the matrix on invasion, metastasis and development of tumor drug resistance, as well as to reveal mechanisms of tissue specificity of different tumor types and tumor-organism interaction. The aim of the work was to study the influence of biomechanical parameters of the extracellular matrix on the morphology and invasive potential of different breast cancer cell lines.

We developed an original protocol for decellularization of murine organs based on sodium deoxycholate, sodium dodecyl sulfate and Triton X-100. To test the assumption of a relationship between matrix stiffness/porosity and its ability to be colonized by tumor cells, we recellularized DCL matrices with human breast cancer cell lines MDA-MB-231 and SKBR-3, which were distributed within the matrix by direct injection. The choice of these lines was based on such factors as the difference in the degree of differentiation and invasive potential. MDA-MB-231 line belongs to triple-negative type of breast cancer, characterized by extremely low degree of differentiation, high invasive potential and high proliferative activity. The SKBR-3 line, in turn, is a highly differentiated cancer, morphologically not much different from the squamous epithelium, with a low growth rate and low invasive potential (links). Such a difference will theoretically make it possible to assess the relationship between the stiffness/porosity of the matrix and their effect on the growth and morphotype of tumor cells.

Scanning electron microscopy (Hitachi TM 4000Plus) was used to analyze the matrix microstructure. Macroindentation (Mach-1 TM v500csst) and nanoindentation (Bioscope Resolve microscope) were used to determine biomechanical properties. Standard histomorphological analysis and DNA content determination were performed to determine the degree of repopulation.

Efficient removal of cells from murine organs using the developed protocol with preservation of matrix microstructure was shown. It was determined that the matrices differ significantly in pore shape and size, fiber thickness and stiffness, making each organ unique in terms of the potential for cell-matrix interactions. A significant negative correlation and a similarly strong trend was found between matrix density as measured by nanoindentation and its degree of repopulation by MDA-MB-231 and SKBR-3 cells, respectively. At the same time, no relationship was observed between the degree of repopulation and matrix density measured by macroindentation or porosity. This strongly suggests that the characteristics of matrix stiffness, manifested at the level of interaction with individual cells, are critical for cell adaptation, while stiffness and other biomechanical properties of the tissue as a whole are not essential. Based on this, we can assume that cells require a certain stiffness range for optimal growth, which leads to the possibility of determining potential niches for metastasis

The work was carried out in the course of the NCMU "Photonics Center" project with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, Contract No. 075-15-2020-927, and with the use of the unique Transgenebank scientific equipment.