Yazan: Marco Tatullo, Benedetta Marrelli, Caterina Benincasa, Elisabetta Aiello, Irina Makeeva, Barbara Zavan, Andrea Ballini, Danila De Vito, Gianrico Spagnuolo.
Çeviren: Buse Mehmetoğlu
Düzenleyen: Alper Topal & Ümit Sözbilir
Özet: “Tümöroid” terimi, “tümör benzeri organoid” anlamına gelmektedir ve bu yapılar genellikle kanser hastalarından alınan birincil tümörlerden elde edilebilmektedir. Tümöroidler, insan tümör mikroçevresini (TME) taklit etme yeteneğine sahip olup günümüzde, kanserin biyolojisini derinlemesine incelemek ve onkolojik tedavilerde kullanılacak yeni ilaçların araştırma ve geliştirilmesinde umut verici bir model olarak değerlendirilmektedir.
Giriş
Tamamen in vitro ortamda büyütülen 3 boyutlu tümöroidler, hücrelerin alındığı birincil dokuya benzer 3 boyutlu organoidler oluşturacak şekilde kendiliğinden kümelenebilir. [2] İnsan tümör mikroçevresini (TME) taklit edebilme yetenekleri sayesinde, hassas tıp alanında kullanılacak yeni kanser ilaçlarının uygun maliyetli araştırmaları için umut vaat etmektedir. [3]
Yıllar içinde hücre kültürü için 3 boyutlu iskeleler üretmek adına çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunların arasında iyi bilinen bir strateji, hücreleri döner şişelere yerleştirip sürekli karıştırarak damla damla büyüyen küresel hücre kümelerinin oluşturulmasını sağlayan bir yöntemdir. Ancak bu teknik, büyük miktarlarda bir kültür ortamı ve özel ekipmanlar gerektirmektedir. Bahsedilen bu yöntemin üstesinden gelmek için 3 boyutlu mikro-kalıplar adı verilen alternatif teknikler araştırılmıştır: Bu teknikler yalnızca sferoidler1 değil, farklı şekillerde kümeler üretmeyi de sağlamıştır. [4]
Kanser Araştırmalarında Tümöroidlerin Rolü
Kanserin başladığı lokal mikroçevre hakkında bilgi edinmek, kanser hücrelerinin kaderini belirlemede rol oynayabilmektedir. Örneğin meme kanseri, hücre ve hücreler arası madde (HAM)2 arasında doğrudan temas ve sinyal molekülleri aracılığıyla karmaşık etkileşimler oluşturarak yüksek derecede organize olmuş bir hücreler arası madde yapısına dönüşmektedir. [5] Hücreler arası maddenin zarar görmesi, kanser başlangıcını tetikleyen bazı faktörlerin uyarılması için uygun koşullar yaratabilmektedir. [3] Bu yaklaşımı daha yakından incelemek amacıyla meme kanseri hücrelere hücreler arası madde kullanılarak tümöroidler oluşturulmuştur: Bunlar farelerin meme bezlerine enjekte edildikten sonra diğer organlardan elde edilen kök hücrelerin büyük bir farklılaşma ve büyüme göstermesini sağlamıştır. [6] Tümöroidler ayrıca, sağlıklı meme mikroçevresinin meme kanseri hücrelerinde fizyolojik bir davranışı teşvik edip etmediğini ve kanser hücrelerinin geliştirilen ilaçlara karşı verdiği yanıtı anlamak amacıyla kullanılmıştır. [7]
Başka bir çalışmada, birincil ve metastatik kolorektal adenokarsinomdan türeyen tümöroidler, Kirsten sıçan sarkomu (K–RAS) mutasyonunun kolorektal adenokarsinom büyümesini nasıl etkilediğini incelemek amacıyla kullanılmıştır. Çalışmaya göre K–RAS proteini, büyüme sinyallerinin hücre çekirdeğinde iletilmesine katkıda bulunarak hücre büyümesinin artmasına neden olmaktadır. [8] Anormal K–RAS mutasyonları, epitel hücrelerinde aşırı çoğalmaya yol açarak istilacı adenokarsinomların gelişimini tetiklemiş ve bu süreç, K–RAS yolaklarının kolorektal kanserde çoğalmasına neden olmuştur. [9]
Tümöroidler üzerine yapılan in vitro araştırmalar, otolog3 hücreler arası maddeden türetilen 3 boyutlu doku iskeleleri üzerinde kültürlenen kanser hücrelerinin, in vivo ortamda gelişen aynı mikroçevreyi eksiksiz bir şekilde yeniden üretebilme yeteneğine sahip olduğunu göstermiştir. Yeni nesil kemoterapi tedavilerinin yan etkilerini öngörmek ve zararlı bağışıklık tepkilerini incelemek amacıyla, güvenilir ve karmaşık kanser modellerinin güvenli ve kontrollü deney koşullarında test edilmesine olanak sağlamıştır. [8] (Tablo 1)
Son zamanlarda, farklı kolorektal kanser hastalarından elde edilen tümöroidlerde yapılan analizler sonucunda, ortak bir moleküler model elde edilmiştir. Buna ek olarak araştırmacılar, tedavisi in vivoda yapılan kanserlerin kemoterapiye verdiği cevapla tümöroidlerin cevabının aynı olduğunu gözlemlemiştir. İnsan kaynaklı küçük tümöroidler, fare modellerine enjekte edildiğinde, kısa bir uyum süresinin ardından tümöroidlerin akciğer ve karaciğerde metastaz yaparak agresif kolorektal kanserler oluşturduğu görülmüştür. Ardından fare modellerinin kolon mukozasına yerleştirilen bu tümöroidler, insanlardakiyle karşılaştırılabilir terapötik etkiler gösteren yeni ilaçlarla tedavi edilmiştir. [10] (Tablo 1)
Araştırmacılar, kanserin ilerlemesinde bağışıklık sistemi hücrelerinin görevlerini incelemek üzere tümöroid bazlı modeller kullanmıştır. Kullanılan bu yöntem, agresif kanserlerde doz–etki oranını ayarlamak için farklı kemoterapi tedavilerinin bağışıklık tepkisi üzerindeki etkisinin değerlendirilmesini sağlamıştır. [11]
Beyin tümörleri üzerine yapılan çalışmalarda da önemli bir rolü olan tümöroidler, neoplastik beyin organoid (NeoCOR) adlı 3 boyutlu bir in vitro çalışma modelinin geliştirilmesinde kullanılmıştır. Tümörün yayılma kapasitesi ve ilaçların etkileri, belirli mutasyonları taşımak üzere CRISPR–Cas9 ile modifiye edilen hücreler kullanılarak araştırılmıştır. NeoCOR modeli araştırma sonucunda beyin kanseriyle ilgili tümör ortamlarının tamamını başarılı bir şekilde yeniden oluşturmuştur. [12]
Karaciğer kanserini incelemek için boyutları 0.5 mm’yi bulan mini–tümöroidler üreten araştırmacılar, bu sayede 29 yeni ilaç test etmiştir. Bu ilaçlardan biri, ERK proteininin aktivasyonu engellemeyi başarmış ve gelecekteki karaciğer kanseri tedavileri için bir seçenek hâline gelmiştir. [13] In vitro çalışmaların ardından mini–tümöroidler denek farelerin karaciğerlerine enjekte edilmiş ve karaciğer kanserine sahip fareler tasarlanan ilaçla tedavi edilmiştir. Ardından yapılan in vivo analizlerde tedavi edilen farelerin tümör büyümesinde önemli bir ölçüde azalma olduğu gözlemlenmiş ve ön in vitro testlerin güvenilirliği kanıtlanmıştır. [13] (Tablo 1) In vitro testlerin güvenirliğini ortaya koyan başka bir klinik çalışma ise radyoterapi ve kemoterapi kullanılarak tedavi edilen kolorektal kanser hastaları üzerinde yapılmıştır. Hastaların hücrelerinde ve dokularında gözlemlenen biyolojik etkiler, tümöroidler tarafından in vitro ortamda başarıyla yeniden üretilmiştir. [14]
Tümöroidler aynı zamanda kanser hücreleri, otolog mezenkimal kök hücreleri (MKH) ve hücreler arası maddenin aralarındaki etkileşimlerin anlaşılmasında rol oynamıştır. [15] Bununla birlikte, pankreas kanseri üzerine yapılan yakın tarihli bir çalışmada indüklenmiş pluripotent kök hücreler (PKH) araştırılmıştır. Bu çalışmada kök hücreler ve pluripotent kök hücrelerin kombinasyonunun, stromaları4 içinde işlevsel pankreas hücrelerini kusursuz bir şekilde yeniden üretebildiği gösterilmiştir. Bu hücrelerin kanser hücreleriyle olan etkileşimleri incelenmiştir. [16]
Kanser dokularından izole edilen kök hücreler, kendiliğinden tümör benzeri yapılara dönüşebilmekte ve bu davranışları hücrelerin bulunduğu yerel çevreden etkilenmektedir. 2018 yılında gerçekleştirilen bir çalışmada, kanser dokularından elde edilen kök hücrelerin davranışları, standart doku kültür plakaları (DKP) ve nanokültür plakalarında (NKP) olmak üzere iki farklı deneysel koşulda incelenmiştir. NKP’lerde büyütülen kök hücreler, tümöroidlerle daha sıkı hücreler arası bağlar oluşturmuş, birincil tümörlerin özelliklerini birebir yansıtan morfolojiler ve yüzey belirteçleri göstermiştir. Ayrıca NKP’lerde büyütülen kök hücrelerin, kanser büyümesindeki artışla bağlantılı olan epitel hücre adezyon molekülleri (EpCAM) ve ısı şok proteini 90 (IŞP 90) içeren eksozomları salgılayabildiği görülmüştür. DKP’lerde büyütülen kök hücreler ise NKP’lerde büyütülen kök hücrelerin aksine hücre farklılaşması ile ilgili genlerin ifadesini artırmıştır. [17]
Tablo 1. Tümöroid Bazlı Kanser Tedavisi: in vitro ve in vivo Çalışmalar
| Araştırma Modeli | Kanser Türü | Uygulanan Tedavi Yöntemi | Gözlenen Etkiler |
| Engelbreth–Holm–Swarm Fare Sarkomu Hücreleri | Meme Kanseri | Kemoterapi | Tümöroidlerin, meme kanseri olan hastalarınkine benzer morfolojiye ve gen ifadelerine sahip olduğu görüldü. [18] |
| Kolorektal Adenokarsinom Hücreleri | Metastatik Kolorektal Adenokarsinomu | Kemoterapi | K–RAS proteini, hücre büyümesini ve mitotik aktiviteyi artırdı. [19] |
| Kemirgen Mukozasına Enjekte Edilen İnsan Tümöroidleri | Rektal Kanser | Kemoterapi | Nakledilen tümöroidler, hastalara uygulanan tedavilere karşı eşit hassasiyet gösterdi. [10] |
| Kolorektal Karsinom Hücreleri | Kolorektal Karsinom | Kemoterapi | 3 boyutlu tümöroidler, yeni ilaç tedavileri üzerine geçerli bir in vitro yaklaşım sundu. [11] |
| Nöroplastik Beyin Organoidi İsimli 3 Boyutlu Model | Beyin Tümörü | Kemoterapi | NeoCOR, beyin tümörleri üzerine yapılan klinik çalışmalar için 3 boyutlu bir model olarak daha iyi performans gösterdi. [12] |
| Farklı 3 Boyutlu Tümöroidlerdeki Kanser Hücreleri | Karaciğer Kanseri | Kemoterapi | SCH77984 bileşiğinin, ERK proteinini inhibe ederek tümörojenezde kritik bir rol oynadığı görüldü. [13] |
| Farelerde Kültüre Edilmiş Tümöroidler | Karaciğer Kanseri | Kemoterapi | SCH77984 kullanılarak tedavi edilen bir farede, bu bileşiğin tümör büyümesini azalttığı gözlemlendi. [13] |
| Kültüre Edilmiş Tümöroidler | Kolorektal ve Karaciğer Kanseri | Kemoterapi | Organoidlerin, kaynaklandıkları orijinal tümörün biyolojik özelliklerini taşıdığı görüldü. [20] |
| Tümöroid Ortamındaki Adipoz Doku Kaynaklı Kök Hücreler | Farklı Kanser Türleri | Kemoterapi | Adipoz doku kaynaklı kök hücrelerin genetik kararlılıklarını koruduğu ve orijinal dokularının tüm fizyolojik özelliklerini muhafaza ettiği görüldü. [15] |
| Fare Modellerinde ESC’ler ve iPSC’ler İçeren Tümöroidler | Pankreatik Tümör | Kemoterapi | ESC ve iPSC tümöroidleri, fonksiyonel pankreas hücreleri oluşturdu. [16] |
| Çeşitli Tümöroidlerden Alınan Çeşitli Hücre Hatları | Çeşitli Kanser Türleri | Kemoterapi | 3 boyutlu tümöroidlerin, tümöre özgü eksozom salınımı gerçekleştirebildiği görüldü. [17] |
| Oral Mukoza Organoidleri | Oral Skuamöz Hücreli Karsinom | Kemoterapi | Oral kanser tümöroidlerinin, kişiselleştirilmiş tedavi için etkili bir araç olduğu kanıtlandı. [21] |
| Hücre Karsinomu Organoidleri | Skuamöz Hücreli Baş Boyun Kanseri (SSHBBK) | Kemoterapi | Tümöroidler, birincil tümörlerin hem genetik hem de moleküler özelliklerini taklit edebildi. [22] |
| Skuamöz Hücreli Baş Boyun Kanserinden Türetilen 31 Tümöroid Hattı | Kemoterapi | Tümöroidler, skuamöz hücreli baş boyun kanserine yönelik kişiselleştirilmiş tedavi çalışmalarında rol oynadı. [21] | |
| Sağlıklı Dokudan ve Tümör Dokusundan Alınan Organoidler | Fotodinamik Terapi | Fotodinamik terapinin, epidermal büyüme faktörünü (EGFR) ve tümör büyümesini etkileyebileceği görüldü. [21] | |
| Tümör Dokusundan Alınan Organoidler | Kemoterapi | Tümöroidler, IL-6 baskılanmasının skuamöz hücreli baş boyun kanserine karşı ilaçların etkinliğini gözlemlemek için kullanıldı. [23] | |
| Metastatik Kolon ve Gastroözofageal Karsinomun Metastatik Hücreleri | Kolon Kanseri ve Gastroözofageal Kavşak Adenokarsinomu | Skuamöz Hücreli Baş Boyun Kanseri (SSHBBK) | Farklı ilaçlara duyarlılığı ve özgüllüğü test etmek üzere 3 boyutlu tümöroidler kullanıldı. [4] |
Üç Boyutlu Tümöroidlerin Özellikleri
Organoid, kök hücrelerden veya progenitör5 organlardan türeyen in vivo türevine morfoloji ve fonksiyonellik açısından benzerlik gösteren 3 boyutlu in vitro hücre kümeleridir. [24] Bu kümelerin en önemli özelliği, “kendiliğinden organizasyon” adı verilen, hücreleri kendi başlarına organize etme ve histojenik6 özelliklere sahip yapılar oluşturacak şekilde ayırabilme yeteneğidir. [25]
Tümöroidlerin klinik araştırmalarda kültürlenmesi, aynı organa ait farklı hücre tiplerinin bir arada yetiştirilmesi olanağını sağlar. Farklı hücrelerin doğrudan kültürlenebilmesi, araştırmacının in vivo bir sistemin özelliklerini incelemesine imkân sağlar. Bu sayede, sistemi oluşturan tüm hücreler göz önünde bulundurularak etkileşimleri uygun şekilde analiz edilebilir. [24]
Dokudaki neoplastik hücreler fizyolojik olarak, hücre–hücre ve hücre–hücreler arası madde–hücre teması tarafından belirlenen besin gradyanları ve sinyal iletimi mekanizmalarıyla stabilize edilen karmaşık bir üç boyutlu ağ içinde organize olurlar. Üç boyutlu kültür sistemleri sayesinde oluşturulan modeller, yukarıda belirtilen gereksinimleri karşılayabilir ve preklinik tümör modelleri olarak kullanılabilir. [26] Çok hücreli sferoidler yalnızca hücre–hücre değil, aynı zamanda hücre–matris bağlantılarının bir ağını belirleyen geniş bir hücreler arası maddeyi içerebilir. 3 boyutlu modelin özel in vitro etkileşimleri hormonlar ve büyüme faktörleri gibi biyolojik etkileyicilerin dağılımını ve fonksiyonunu da etkiler. Bu etkileyiciler büyüme, farklılaşma ve hücresel ölüm mekanizmalarını düzenler. Bu modeller gen ve protein ekspresyonu düzeyinde biyokimyasal ve mekanik düzeyde olduğu gibi in vivo özelliklerini daha doğru yansıtır. [27]
Yukie Yoshii ve arkadaşlarının 2011 yılı başlarında yayımlanan bir çalışmalarında bahsettikleri üzere, nanobaskılı iskeleler kullanılarak tasarlanan 3 boyutlu sistemler, yerel tümör mikroçevresini daha iyi taklit ederek büyüme, göç ve hücreler arası tutunmayı desteklemiştir. İskeleler üzerine ekilen mezenkimal kök hücrelerinin sebebiyet verdiği sferoidlerin oluşumu, hücre proliferasyonunu ve canlığı hem korumuş hem de optimize etmiştir. Çalışmada bu modellerin, kanserde gözlemlenen patolojik anomalileri düzenleyen biyolojik mekanizmaları açığa çıkarmak için yararlı olduğu vurgulanmıştır. Nanobaskılı iskeleler, tümör hücrelerinin spontane göçünü kolaylaştırmak ve iyi düzenlenmiş sferoid oluşumunu teşvik etmek için 3 boyutlu kültür modelleri olarak kullanılmaktadır. [28] Buna ek olarak 3 boyutlu tümöroidler, inervasyon (sinirlenme) ve vaskülarizasyondan (damarlanma) yoksun olmalarıyla karakterize edilir. Üç katmanlı yapıları, uzun süreli hücresel bakım, yüksek genetik stabilite ve kriyoprezervayon (dondurarak saklama) imkânı sunmaktadır. [29]
3 boyutlu kullanımı sayesinde, araştırmacıların tümörleri spesifik olarak hedeflemek amacıyla nanoparçacıkları tasarladıkları ve bu sayede sistemik toksisiteyi, nanoparçacıkların vücuttaki bozulmasını ve iç organlarda birikimini engelledikleri, aynı zamanda biyolojik süreçleri etkilemeden çalıştıkları görülmektedir. Özellikle nanofarmakoterapötiklerin geliştirilmesinin erken aşamalarında ex vivo organoid modelleri kullanılabilmektedir. [30] [31]
1 Hücrelerin 3 boyutlu bir ortamda küresel bir şekilde kümeleşerek oluşturdukları yapıdır.
2 Bağ doku hücreleri tarafından sentezlenen, dokuda hücreler arası boşlukta bulunup hücreler arası iletişimi sağlayan ve iskelet görevi gören karışık bir yapıdır.
3 Bireyin veya organizmanın kendisinden elde edilen doku ve hücreleri ifade eder.
4 Organa yapısal destek sağlamakla ve besin maddelerini taşımakla görevli bir bağ doku türüdür.
5 Belirli bir hücre türüne farklılaşma potansiyeline sahip öncü hücrelerdir.
6 Dokuların gelişimi veya yenilenmesiyle ilgili süreçleri ifade eden bir terimdir.
