Модель мозга, напечатанная на 3D-принтере, может ускорить поиск методов лечения рака

Глиобластома — самая смертоносная форма опухоли мозга; менее 10% пациентов после постановки диагноза живут более пяти лет.

Исследователи разработали новый способ изучения этого быстро распространяющегося рака, используя трёхмерную структуру из скопления клеток человеческого мозга и биоматериалов. Их работа, опубликованная в Science Advances, может помочь медикам лучше понять рост опухоли и ускорить потенциальное открытие новых лекарств.

«Это очень сложная для лечения опухоль мозга, — говорит Гохао Дай, доцент биоинженерии и автор-корреспондент исследования. — И её также сложно исследовать, потому что вы не можете по-настоящему увидеть, что происходит».

Внутри живого мозга исследователи не могут напрямую наблюдать, как растут и реагируют на лечение опухолевые клетки. Обычно исследования проводятся на мышах или крысах, и для понимания развития опухоли животных необходимо препарировать. Исследования на животных дороги и требуют много времени, говорит Дай, и они не позволяют проводить ежедневные наблюдения за одной и той же опухолью в живой ткани.

Чтобы иметь возможность изучать глиобластому более напрямую, лаборатория Дая, специализирующаяся на 3D-печати живой ткани, вырастила трёхмерную модель, имитирующую ткань мозга, для инфильтрации опухолевых клеток.

«Мы используем клетки кровеносных сосудов человеческого мозга и соединяем их со всеми нейронами, перицитами, астроцитами — основными типами клеток человеческого мозга», — объясняет Дай. Водная субстанция, известная как гидрогель, служит матрицей для удержания этих клеток. «Затем мы используем 3D-печать, чтобы расположить их в трёхмерном формате».

В центре структуры толщиной всего в несколько миллиметров исследователи поместили стволовые клетки опухоли глиобластомы. Клетки были получены от пациентов с опухолью мозга при помощи нейрохирурга Дженни Зоу и нейробиолога Роланда Фриделя из медицинской школы Маунт-Синай.

«Мы можем наблюдать, как клетки опухоли мозга агрессивно вторгаются, прямо как у пациентов, — говорит Дай. — Они вторгаются повсюду».

Чтобы получить точную картину происходящего внутри 3D-модели, не разрушая её, биомедицинский инженер Ксавье Интес из Политехнического института Ренсселера использовал лазер для сканирования образца и быстрого создания трёхмерного снимка клеточной структуры — метод визуализации, разработанный в его лаборатории.

Это сочетание методов позволило им оценить эффективность широко используемого химиотерапевтического препарата темозоломида.

«Мы обработали опухоль тем же препаратом, который дают пациенту при химиотерапии, — говорит Дай. — Мы наблюдали за этой химиотерапией в течение двух месяцев. И мы обнаружили, что химиотерапия не смогла убить опухоль».

Первоначально опухоль уменьшилась в ответ на препарат, но затем быстро и агрессивно отросла. Препарат не сработал в долгосрочной перспективе, что соответствует опыту пациентов с глиобластомой.

«Эта конкретная химиотерапия неэффективна для опухоли мозга, — констатирует Дай. — Нам нужно разрабатывать и тестировать другие химиотерапевтические препараты».

Эта модель может ускорить этот процесс. Темозоломид убивал клетки глиобластомы в двумерных моделях, но в трёхмерной модели опухоль восстанавливалась. Этот метод можно использовать для раннего отсева неудачных препаратов, гарантируя, что только самые перспективные из них перейдут к испытаниям на животных, а в конечном итоге — на людях.

«Исследования на животных связаны с огромными затратами времени и средств, — говорит Дай. — С нашей 3D-моделью глиобластомы и платформой визуализации вы можете очень быстро увидеть, как клетки реагируют на облучение или химиотерапию».