Principi di Oncologia Sperimentale

METASTASI SPERIMENTALIRIPRODUZIONE DEL PROCESSO METASTATICO

IN VITRO

4° S. Beninati

METASTASI SPERIMENTALE

• Il processo metastatico può essere riprodotto sperimentalmente e quindi suddiviso nelle fasi che lo compongono.

• In tal modo è possibile studiare i diversi momenti dell’invasione metastatica riducendo le possibili variabili.

• L’osservazione diviene facilmente interpretabile, permettendo di definire il bersaglio della ricerca

Farmaci antineoplastici

• Una molecola o un insieme di molecole si definisce antineoplastica quando esercita una azione tesa ad inibire lo sviluppo e la disseminazione delle cellule tumorali.

• Il termine antineoplastico è generico poiché non specifica quale fase della crescita tumorale viene colpita dalla molecola.

Antiproliferativo o antimetastatico?

• Un tumore può essere altamente proliferante ma con bassa metastaticità (questa condizione è presente anche nei tumori benigni)

• Al contrario può essere altamente metastaticio ma con bassa proliferazione

• Può anche possedere le due caratteristiche assieme

Modelli sperimentali

• Al fine di studiare quale fase del processo tumorale viene influenzata dalla molecola in esame, si utilizzano modelli sperimentali.

• Si distinguono come:

• 1. modelli multivariabile (poiché comprendono più fasi del processo)

• 2. modelli monovariabile (poiché viene valutata una singola fase del processo)

Camere di Boydenun esempio di modello multivariabile

• Le camere di Boyden rappresentano un modello sperimentale multivariabile, poichè riproduce i seguenti passaggi:

• 1. adesione

• 2. rilascio di metalloproteasi

• 3.invasione

• Tale modello quindi permette di valutare il potere metastatico nelle tre variabili citate

ADESIONE

Le cellule tumorali aderiscono al substrato (Matrigel)

PROTEOLISI

Secrezione di matalloproteasi che idrolizzano il Matrigel

INVASIONE

Superata la barriera del Matrigel le cellule tumorali invadono il compartimento sottostante

Modelli monovariabile

• I modelli monovariabile permettono di discriminare i singoli passaggi del processo metastatico.

• Si effettuano in vitro utilizzando cellule di una linea tumorale metastatica e in vivo utilizzando topi o ratti.

• Con questi modelli è possibile valutare l’effetto di un farmaco su di una o più fasi del processo metastatico.

Modelli sperimentali in vitro

• Essi permettono di valutare:

• proliferazione

• adesione

• migrazione

• Invasione

Modelli sperimentali in vivo

• Permettono di valutare due parametri:

• proliferazione

• Colonizzazione/invasione

Modelli in vitro: Proliferazione

• La proliferazione cellulare è legata a cinque fasi della vita della cellula:

• Il ciclo di crescita

• Il ciclo cellulare

• La divisione cellulare

• Il differenziamento

• Morte cellulare (Apoptosi e/o Anoikis)

Il ciclo di crescita

• IL CICLO DI CRESCITA CONTROLLA MOLTI PASSAGGI CHE SONO NECESSARI PER LA COLTURA DI CELLULE ANIMALI.

• LA DENSITÀ CELLULARE DI SEMINA

IL TEMPO DI CRESCITA

LA DURATA DI UN ESPERIMENTO

IL MOMENTO ADATTO PER IL PRELIEVO DEI CAMPIONI

IL METABOLISMO CELLULARE

Il ciclo cellulare

La divisione cellulare

25

50

75

100

0 24 48 72

2.5 mM THEO

0,05 uM PTX

0.05 uM PTX+2.5 THEO

0,5 uM PTX

% p

roli

fera

tion

Time (hrs)

*

Proliferazione cellulare in presenza di farmaci antineoplastici

Il differenziamento

• Nelle linee cellulari utilizzate, il differenziamento può essere rivelato osservando alcuni markers specifici.

• Nelle linee di melanoma l’aumentata produzione di melanina è segno di differenziamento

0

10

20

30

40

µg

mel

anin

/mg

prot

ein

Control AE 48h AE 72h

Linea cellulare B16-F10

Morte cellulare (Apoptosi)

• il termine apoptosi indica una forma di morte cellulare programmata.

• Si tratta di un processo ben distinto rispetto alla necrosi cellulare, e in condizioni normali contribuisce al mantenimento del numero di cellule di un sistema.

Una cellula in apoptosi. In uno dei molti scenari apoptotici, il processo è stimolato da una cellula adiacente; la cellula morente espone in seguito segnali che richiamano dei macrofagi

Percentuale di cellule in apoptosi misurata con il citofluorimetro (evidenzia il numero di cellule in una certa fase del ciclo cellulare)

Cellule apoptotiche

Cellule in apoptosi

Cellule in apoptosi

Morte cellulare (Anoikis)

• Anoikis rappresenta l’apoptosi indotta da uno scorretto attacco delle cellule alla matrice extracellulare (ECM).

• E’ il meccanismo attraverso il quale le cellule in vivo utilizzano segnali che derivano dal ECM per mantenere l’integrità dei tessuti.

• Leggere: Gilmore A.P. Cell Death and Differentiation (2005)12,1473

Modelli in vitro:adesione

• Il primo passo per lo stravaso delle cellule tumorali è

l’adesione alle cellule endoteliali, mediato da molecole di

adesione cellulare (cell adhesion molecules – CAMs),

che comprendono la famiglia I-CAM ed N-CAM

(integrine), lectine di superficie cellulare e glicoproteine

che si legano alle lectine espresse dalle cellule.

Adesione e sedi vascolari

• La selettività per specifiche sedi vascolari è legata ai meccanismi di adesione alle pareti vasali.

• Ma anche al tipo di enzimi degradativi prodotti dalla cellula neoplastica e di enzimi inibitori presenti nel tessuto invaso

• Contribuiscono anche fattori chemiotattici e aptotattici che guidano l’insediamento della singola cellula nei siti ottimali per la proliferazione, ai fattori di crescita autocrini e paracrini e alla possibilità di iniziare e mantenere il processo angiogenico.

Test di adesione cellulare in vitro

Si utilizzano piastre da 96 pozzetti il cui fondo è rivestito con collagene, laminina o fibronectina

Le cellule da saggiare vengono piastrate nei pozzetti e incubate per 2 ore a 37 C°.

Dopo aver rimosso il mezzo di coltura si aggiunge un colorante vitale e quindi incubate per altri 10 minuti a temperatura ambiente

AdhesionAdhesion (Matrigel adhesion assay)(Matrigel adhesion assay)

0

20000

40000

60000

Control 48h 72h

N°

adhe

rent

cel

ls

Modelli in vitro:migrazione

• Il monostrato cellulare quando danneggiato, risponde alla distruzione del contatto cellula-cellula e alla produzione di fattori di crescita nel punto danneggiato, cercando di rimarginare la ferita per mezzo sia della proliferazione che della migrazione.

• • Questi processi riflettono il compartamento di

ogni singola cellula, ma anche quello di tutta la popolazione cellulare.

Wound Healing assay

• Il tipico “Wound Healing assay”, (WHM) si ottiene graffiando la superfice di una coltura cellulare alla confluenza, usando l’ago di una siringa o la punta di una pipetta.

• Il monostrato cellulare cerca di sanare la ferita in tempi relativamente brevi (da 3 a 48 ore).

• Il processo può essere quantificato con l’analisi di immagine computerizzata sotto osservazione al Microscopio Ottico

Migration(Wound Healing Migration Assay)

CONTROLLO TEMPO 0 48 ORE

%

mig

rati

on

C ontrol AE

Migration(Wound Healing Migration Assay)

*

0

25

50

75

100

circular wound-healing (CWA)

• Una variazione del “Wound Healing Migration Assay” è il CWA.

• In questo caso si utilizza una punta di silicone ruotante per creare una ferita circolare uniforme, in un momolayer di cellule alla confluenza.

circular wound-healing (CWA)

Modelli in vitro: invasione

L’invasione di cellule tumorali può essere valutata con il “3D invasion/morphogenic assay” oppure con il “Circular invasion assay”.

3D invasion/morphogenic assay

Nel 3D invasion/morphogenic assay le cellule sono immerse in una matrice

gelatinosa che mima la matrice extracellulare. Il modello si definisce

tridimensionale poiche le cellule possono migrare nelle tre dimensioni dello

spazio.

Al fine di valutare la capacità invasiva vengono contate le estroflessioni

cellulari dopo un certo periodo di tempo

matrice gelatinosa

Control 72h48h

((3D invasion/morphogenic assay)3D invasion/morphogenic assay)

0

1

2

3

4

5

6

N°

of p

roce

sses

/ ce

ll

Control AE 48h AE 72h

(3D invasion/morphogenic assay)(3D invasion/morphogenic assay)

Circular invasion assay (CIA)

• Il “circular invasion assay” (CIA) si è sviluppato recentemente (2007) per sostituire il classico in vitro “wound-healing assays” e altre tecniche per lo studio della migrazione e invasione nelle metastasi.

Circular invasion assay

• Anche in questo caso si utilizza una punta ruotante di silicone che crea una ferita perfettamente circolare nel monolayer cellulare.

• A differenza del CWA la tecnica CIA utilizza il Matrigel che viene steso sopra la coltura cellulare, mimando la matrice extracellulare.

• Il modello si avvicina molto a quello che accade in vivo l’aggiunta di Matrigel permette di valutare la reale invasione.

• A differenza del CWA che permette di valutare solamente la migrazione.

• Comparando le dimensioni della ferita nel tempo si può quantificare l’invasione di cellule tumorali

Circular invasion assayCircular invasion assay

t=0t=0 AEAE

ControlControl

% w

ound

clo

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Control AE

*

0

10

20

30

12h

24h