Главная \ Наука \ Научные издания КФУ \ Ученые записки Казанского университета \ Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки \ Архив

Современные методы доклинического скрининга противоопухолевых препаратов с применением тест-систем на основе культур клеток

К.В. Китаева, А.А. Ризванов, В.В. Соловьева

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2542-064X.2021.2.155-176

Для цитирования: Китаева К.В., Ризванов А.А., Соловьева В.В. Современные методы доклинического скрининга противоопухолевых препаратов с применением тест-систем на основе культур клеток // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2021. – Т. 163, кн. 2. – С. 155–176. – doi: 10.26907/2542-064X.2021.2.155-176.

For citation: Kitaeva K.V., Rizvanov A.A., Solovyeva V.V. Modern methods of preclinical anticancer drug screening using test systems based on cell cultures. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2021, vol. 163, no. 2, pp. 155–176. doi: 10.26907/2542-064X.2021.2.155-176. (In Russian)

Аннотация

На сегодняшний день в мире существует проблема проведения рационального первичного скрининга веществ, обладающих противоопухолевой активностью. Низкая корреляция между in vitro и in vivo исследованиями с клиническими испытаниями остается серьезной проблемой. Выбор правильной модели опухоли на стадии тестирования in vitro обеспечивает снижение финансовых и временных затрат на поиск и испытание перспективных противоопухолевых агентов. Разработка новых подходов к скринингу противоопухолевых препаратов является весьма актуальной задачей в свете растущей распространенности онкологических заболеваний, и, как следствие, необходимости увеличения темпов создания, разработки и тестирования новых противоопухолевых агентов. Хотя фармацевтическая промышленность использует преимущественно двумерные модели in vitro, основанные на коммерческих линиях опухолевых клеток, в области доклинического скрининга возникает все больше запросов на более сложные модели, такие как трехмерные модели (в том числе органоиды), микрофлуидные системы, камера Бойдена, а также модели, созданные с использованием трехмерной биопечати.. Нами проведен обзор вышеперечисленных in vitro моделей опухолей, в том числе их использования в исследованиях и характеристик, для того чтобы дать представление ученым и клиницистам из разных областей, включая фармацию, доклинические исследования и клеточную биологию, о скрининге потенциальных противоопухолевых препаратов с их применением.

Ключевые слова: скрининг противоопухолевых препаратов, in vitro модель опухоли, двумерная культура, трехмерная культура, микрофлуидная система, камера Бойдена, микроокружение опухоли, 3D-биопечать

Благодарности. Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров, а также при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-00-00263.

Литература

Hay M., Thomas D.W., Craighead J.L., Economides C., Rosenthal J. Clinical development success rates for investigational drugs // Nat. Biotechnol. – 2014. – V. 32, No 1. – P. 40–51. – doi: 10.1038/nbt.2786.
Hobbs B.P., Barata P.C., Kanjanapan Y., Paller C.J., Perlmutter J., Pond G.R., Prowell T.M., Rubin E.H., Seymour L.K., Wages N.A, Yap T.A., Feltquate D., Garrett-Mayer E., Grossman W., Hong D.S., Ivy S.P., Siu L.L., Reeves S.A., Rosner G.L. Seamless designs: Сurrent practice and considerations for early-phase drug development in oncology // J. Natl. Cancer Inst. – 2019. –V. 111, No 2. – P. 118–128. – doi: 10.1093/jnci/djy196.
Imamura Y., Mukohara T., Shimono Y., Funakoshi Y., Chayahara N., Toyoda M., Kiyota N., Takao S., Kono S., Nakatsura T., Minami H. Comparison of 2D- and 3D-culture models as drug-testing platforms in breast cancer // Oncol. Rep. – 2015. – V. 33, No 4. – P. 1837–1843. – doi: 10.3892/or.2015.3767.
Stevens J.L., Baker T.K. The future of drug safety testing: Expanding the view and narrowing the focus // Drug Discovery Today. – 2009. – V. 14, No 3–4. – P. 162–167. – doi: 10.1016/j.drudis.2008.11.009.
Bileckot R., Masson C., Ntsiba H., Mbongo J.A., Biendo M., Yala F., Bregeon C. Prospective study of rheumatic manifestations in human immunodeficiency virus infection. Apropos of 26 cases in Congo // Rev. Rhum. Mal. Osteo-Articulaires. – 1991. – V. 58, No 3. – P. 163–168.
Chulpanova D.S., Kitaeva K.V., Rutland C.S., Rizvanov A.A., Solovyeva V.V. Mouse tumor models for advanced cancer immunotherapy // Int. J. Mol. Sci. – 2020. – V. 21, No 11. – Art. 4118, P. 1–15. – doi: 10.3390/ijms21114118.
Kitaeva K.V., Rutland C.S., Rizvanov A.A., Solovyeva V.V. Cell culture based in vitro test systems for anticancer drug screening // Front. Bioeng. Biotechnol. – 2020. – V. 8. – Art. 322, P. 1–9. – doi: 10.3389/fbioe.2020.00322.
Chiantore M.V., Mangino G., Zangrillo M.S., Iuliano M., Affabris E., Fiorucci G., Romeo G. Role of the microenvironment in tumourigenesis: Focus on virus-induced tumors // Curr. Med. Chem. – 2015. – V. 22, No 8. – P. 958–974. – doi: 10.2174/0929867322666141212121751.
Gal P., Varinska L., Faber L., Novak S., Szabo P., Mitrengova P., Mirossay A., Mucaji P., Smetana K. How signaling molecules regulate tumor microenvironment: Parallels to wound repair // Molecules. – 2017. – V. 22, No 11. – Art. 1818, P. 1–17. – doi: 10.3390/molecules22111818.
Zhou X., Li Z., Zhou J. Tumor necrosis factor α in the onset and progression of leukemia // Exp. Hematol. – 2017. – V. 45. – P. 17–26. – doi: 10.1016/j.exphem.2016.10.005.
Kursunel M.A., Esendagli G. The untold story of IFN-γ in cancer biology // Cytokine Growth Factor Rev. – 2016. – V. 31. – P. 73–81. – doi: 10.1016/j.cytogfr.2016.07.005.
Song Z., Ren D., Xu X., Wang Y. Molecular cross-talk of IL-6 in tumors and new progress in combined therapy // Thorac. Cancer. – 2018. – V. 9, No 6. – P. 669–675. – doi: 10.1111/1759-7714.12633.
Alfaro C., Sanmamed M.F., Rodriguez-Ruiz M.E., Teijeira A., Onate C., Gonzalez A., Ponz M., Schalper K.A., Perez-Gracia J.L., Melero I. Interleukin-8 in cancer pathogenesis, treatment and follow-up // Cancer Treat. Rev. – 2017. – V. 60. – P. 24–31. – doi: 10.1016/j.ctrv.2017.08.004.
Malik A., Kanneganti T.-D. Function and regulation of IL-1α in inflammatory diseases and cancer // Immunol. Rev. – 2018. – V. 281, No 1. – P. 124–137. – doi: 10.1111/imr.12615.
Papageorgis P., Stylianopoulos T. Role of TGFβ in regulation of the tumor microenvironment and drug delivery (review) // Int. J. Oncol. – 2015. – V. 46, No 3. – P. 933–943. – doi: 10.3892/ijo.2015.2816.
Nagarsheth N., Wicha M.S., Zou W. Chemokines in the cancer microenvironment and their relevance in cancer immunotherapy // Nat. Rev. Immunol. – 2017. – V. 17, No 9. – P. 559–572. – doi: 10.1038/nri.2017.49.
Wu T., Dai Y. Tumor microenvironment and therapeutic response // Cancer Lett. – 2017. – V. 387. – P. 61–68. – doi: 10.1016/j.canlet.2016.01.043.
Kusmartsev S., Gabrilovich D.I. Effect of tumor-derived cytokines and growth factors on differentiation and immune suppressive features of myeloid cells in cancer // Cancer Metastasis Rev. – 2006. – V. 25, No 3. – P. 323–331. – doi: 10.1007/s10555-006-9002-6.
Hanahan D., Coussens L.M. Accessories to the crime: Functions of cells recruited to the tumor microenvironment // Cancer Cell. – 2012. – V. 21, No 3. – P. 309–322. – doi: 10.1016/j.ccr.2012.02.022.
Sun Z., Wang S., Zhao R.C. The roles of mesenchymal stem cells in tumor inflammatory microenvironment // J. Hematol. Oncol. – 2014. – V. 7. – Art. 14, P. 1–10. – doi: 10.1186/1756-8722-7-14.
Payne K.K., Bear H.D., Manjili M.H. Adoptive cellular therapy of cancer: Exploring innate and adaptive cellular crosstalk to improve anti-tumor efficacy // Future Oncol. – 2014. – V. 10, No 10. – P. 1779–1794. – doi: 10.2217/fon.14.97.
Insua-Rodriguez J., Oskarsson T. The extracellular matrix in breast cancer // Adv. Drug Delivery Rev. – 2016. – V. 97. – P. 41–55. – doi: 10.1016/j.addr.2015.12.017.
Trivanovic D., Krstic J., Djordjevic I.O., Mojsilovic S., Santibanez J.F., Bugarski D., Jaukovic A. The roles of mesenchymal stromal/stem cells in tumor microenvironment associated with inflammation // Mediators Inflammation. – 2016. – V. 2016. – Art. 7314016, P. 1–14. – doi: 10.1155/2016/7314016.
Dewhirst M.W., Secomb T.W. Transport of drugs from blood vessels to tumour tissue // Nat. Rev. Cancer. – 2017. – V. 17, No 12. – P. 738–750. – doi: 10.1038/nrc.2017.93.
Dewhirst M.W., Ashcraft K.A. Implications of increase in vascular permeability in tumors by VEGF: A commentary on the pioneering work of Harold Dvorak // Cancer Res. – 2016. – V. 76, No 11. – P. 3118–3120. – doi: 10.1158/0008-5472.CAN-16-1292.
LaGory E.L., Giaccia A.J. The ever-expanding role of HIF in tumour and stromal biology // Nat. Cell Biol. – 2016. – V. 18, No 4. – P. 356–365. – doi: 10.1038/ncb3330.
De Palma M., Biziato D., Petrova T.V. Microenvironmental regulation of tumour angiogenesis // Nat. Rev. Cancer. – 2017. – V. 17, No 8. – P. 457–474. – doi: 10.1038/nrc.2017.51.
Chulpanova D.S., Kitaeva K.V., James V., Rizvanov A.A., Solovyeva V.V. Therapeutic prospects of extracellular vesicles in cancer treatment // Front. Immunol. – 2018. – V. 9. – Art. 1534, P. 1–10. – doi: 10.3389/fimmu.2018.01534.
Chulpanova D.S., Kitaeva K.V., Tazetdinova L.G., James V., Rizvanov A.A., Solovyeva V.V. Application of mesenchymal stem cells for therapeutic agent delivery in anti-tumor treatment // Front. Pharmacol. – 2018. – V.9. – Art. 259, P. 1–10. – doi: 10.3389/fphar.2018.00259.
Chulpanova D.S., Solovyeva V.V., Kitaeva K.V., Dunham S.P., Khaiboullina S.F., Rizvanov A.A. Recombinant viruses for cancer therapy // Biomedicines. – 2018. – V. 6, No 4. – Art. 94, P. 1–14. – doi: 10.3390/biomedicines6040094.
Waud W.R. Murine L1210 and P388 leukemias // Teicher B. (Ed.) Tumor models in cancer research. – Totowa, N. J.: Humana Press, 2011. – Р. 23–41. – doi: 10.1007/978-1-60761-968-0_2.
Мингалеева Р.Н., Соловьева В.В., Блатт Н.Л., Ризванов А.А. Применение культур клеток и тканей для скрининга противоопухолевых препаратов in vitro // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. – 2013. – Т. 8, № 2. – C. 20–28.
Takimoto C.H. Anticancer drug development at the US National Cancer Institute // Cancer Chemother. Pharmacol. – 2003. – V. 52, Suppl. 1. – P. S29–S33. – doi: 10.1007/s00280-003-0623-y.
Blatt N.L., Mingaleeva R.N., Khaiboullina S.F., Lombardi V.C., Rizvanov A.A. Application of cell and tissue culture systems for anticancer drug screening // World Appl. Sci. J. – 2013. – V. 23. – P. 315–325. – doi: 10.5829/idosi.wasj.2013.23.03.13064.
Holbeck S.L., Camalier R., Crowell J.A., Govindharajulu J.P., Hollingshead M., Anderson L.W., Polley E., Rubinstein L., Srivastava A., Wilsker D., Collins J.M., Doroshow J.H. The National Cancer Institute ALMANAC: A comprehensive screening resource for the detection of anticancer drug pairs with enhanced therapeutic activity // Cancer Res. – 2017. – V. 77, No 13. – P. 3564–3576. – doi: 10.1158/0008-5472.CAN-17-0489.
Adams J. Development of the proteasome inhibitor PS-341 // Oncologist. – 2002. – V. 7, No 1. – P. 9–16. – doi: 10.1634/theoncologist.7-1-9.
Madadi N.R., Penthala N.R., Ketkar A., Eoff R.L., Trujullo-Alonso V., Guzman M.L., Crooks P.A. Synthesis and evaluation of 2-naphthaleno trans-stilbenes and cyanostilbenes as anticancer agents // Anticancer Agents Med. Chem. – 2018. – V. 18, No 4. – P. 556–564. – doi: 10.2174/1871521409666170412115703.
Nakatsu N., Nakamura T., Yamazaki K., Sadahiro S., Makuuchi H., Kanno J., Yamori T. Evaluation of action mechanisms of toxic chemicals using JFCR39, a panel of human cancer cell lines // Mol. Pharmacol. – 2007. – V. 72, No 5. – P. 1171–1180. – doi: 10.1124/mol.107.038836.
Kong D., Yamori T. JFCR39, a panel of 39 human cancer cell lines, and its application in the discovery and development of anticancer drugs // Bioorg. Med. Chem. – 2012. – V. 20, No 6. – P. 1947–1951. – doi: 10.1016/j.bmc.2012.01.017.
Shoemaker R.H. The NCI60 human tumour cell line anticancer drug screen // Nat. Rev. Cancer. – 2006. – V. 6, No 10. – P. 813–823. – doi: 10.1038/nrc1951.
Desrochers T.M., Palma E., Kaplan D.L. Tissue-engineered kidney disease models // Adv. Drug Deliv. Rev. – 2014. – V. 69–70. – P. 67–80. – doi: 10.1016/j.addr.2013.12.002.
Chen L., Xiao Z., Meng Y., Zhao Y., Han J., Su G., Chen B., Dai J. The enhancement of cancer stem cell properties of MCF-7 cells in 3D collagen scaffolds for modeling of cancer and anti-cancer drugs // Biomaterials. – 2012. – V. 33, No 5. – P. 1437–1444. – doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.10.056.
Riedl A., Schlederer M., Pudelko K., Stadler M., Walter S., Unterleuthner D., Unger C., Kramer N., Hengstschlager M., Kenner L., Pfeiffer D., Krupitza G., Dolznig H. Comparison of cancer cells in 2D vs 3D culture reveals differences in AKT-mTOR-S6K signaling and drug responses // J. Cell Sci. – 2017. – V. 130, No 1. – P. 203–218. – doi: 10.1242/jcs.188102.
Uchida Y., Tanaka S., Aihara A., Adikrisna R., Yoshitake K., Matsumura S., Mitsunori Y., Murakata A., Noguchi N., Irie T., Kudo A., Nakamura N., Lai P.B., Arii S. Analogy between sphere forming ability and stemness of human hepatoma cells // Oncology Rep. – 2010. – V. 24, No 5. – P. 1147–1151. – doi: 10.3892/or_00000966.
Melissaridou S., Wiechec E., Magan M., Jain M.V., Chung M.K., Farnebo L., Roberg K. The effect of 2D and 3D cell cultures on treatment response, EMT profile and stem cell features in head and neck cancer // Cancer Cell Int. – 2019. – V. 19. – Art. 16, P. 1–10. – doi: 10.1186/s12935-019-0733-1.
Kitaeva K.V., Prudnikov T.S., Gomzikova M.O., Kletukhina S.K., James V., Rizvanov A.A., Solovyeva V.V. Analysis of the interaction and proliferative activity of adenocarcinoma, peripheral blood mononuclear and mesenchymal stromal cells after co-cultivation in vitro // BioNanoScience. – 2019. – V. 9, No 2. – P. 502–509. – doi: 10.1007/s12668-019-00625-z.
Ravi M., Ramesh A., Pattabhi A. Contributions of 3D cell cultures for cancer research // J. Cell. Physiol. – 2017. – V. 232, No 10. – P. 2679–2697. – doi: 10.1002/jcp.25664.
Luca A.C., Mersch S., Deenen R., Schmidt S., Messner I., Schafer K.L., Baldus S.E., Huckenbeck W., Piekorz R.P., Knoefel W.T., Krieg A., Stoecklein N.H. Impact of the 3D microenvironment on phenotype, gene expression, and EGFR inhibition of colorectal cancer cell lines // PLoS ONE. – 2013. – V. 8, No 3. – Art. e59689. P. 1–11. – doi: 10.1371/journal.pone.0059689.
Zoetemelk M., Rausch M., Colin D.J., Dormond O., Nowak-Sliwinska P. Short-term 3D culture systems of various complexity for treatment optimization of colorectal carcinoma // Sci. Rep. – 2019. – V. 9, No 1. – Art. 7103, P. 1–14. – doi: 10.1038/s41598-019-42836-0.
Osswald A., Hedrich V., Sommergruber W. 3D-3 tumor models in drug discovery for analysis of immune cell infiltration // Methods Mol. Biol. – 2019. – V. 1953. – P. 151–162. – doi: 10.1007/978-1-4939-9145-7_10.
Puls T.J., Tan X., Husain M., Whittington C.F., Fishel M.L., Voytik-Harbin S.L. Development of a novel 3D tumor-tissue invasion model for high-throughput, high-content phenotypic drug screening // Sci. Rep. – 2018. – V. 8, No 1. – Art. 13039, P. 1–14. – doi: 10.1038/s41598-018-31138-6.
Clevers H. Modeling development and disease with organoids // Cell. – 2016. – V. 165, No 7. – P. 1586–1597. – doi: 10.1016/j.cell.2016.05.082.
Hu J.L., Todhunter M.E., LaBarge M.A., Gartner Z.J. Opportunities for organoids as new models of aging // J. Cell. Biol. – 2018. – V. 217, No 1. – P. 39–50. – doi: 10.1083/jcb.201709054.
Kim M., Mun H., Sung C.O., Cho E.J., Jeon H.J., Chun S.M., Jung D.J., Shin T.H., Jeong G.S., Kim D.K., Choi E.K., Jeong S.Y., Taylor A.M., Jain S., Meyerson M., Jang S.J. Patient-derived lung cancer organoids as in vitro cancer models for therapeutic screening // Nat. Commun. – 2019. – V. 10, No 1. – Art. 3991, P. 1–15. – doi: 10.1038/s41467-019-11867-6.
Nelson S.R., Zhang C., Roche S., O'Neill F., Swan N., Luo Y., Larkin A., Crown J., Walsh N. Modelling of pancreatic cancer biology: transcriptomic signature for 3D PDX-derived organoids and primary cell line organoid development // Sci. Rep. – 2020. – V. 10, No 1. – Art. 2778. P. 1–12. – doi: 10.1038/s41598-020-59368-7.
Lee S., Burner D.N., Mendoza T.R., Muldong M.T., Arreola C., Wu C.N., Cacalano N.A., Kulidjian A.A., Kane C.J., Jamieson C.A.M. Establishment and analysis of three-dimensional (3D) organoids derived from patient prostate cancer bone metastasis specimens and their xenografts // J. Visualized Exp. – 2020. – V. 156. – Art. e60367. – doi: 10.3791/60367.
Mullenders J., de Jongh E., Brousali A., Roosen M., Blom J.P.A., Begthel H., Korving J., Jonges T., Kranenburg O., Meijer R., Clevers H.C. Mouse and human urothelial cancer organoids: A tool for bladder cancer research // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. – 2019. – V. 116, No 10. – P. 4567–4574. – doi: 10.1073/pnas.1803595116.
Lv D., Hu Z., Lu L., Lu H., Xu X. Three-dimensional cell culture: A powerful tool in tumor research and drug discovery // Oncol. Lett. – 2017. – V. 14, No 6. – P. 6999–7010. – doi: 10.3892/ol.2017.7134.
Falasca M., Raimondi C., Maffucci T. Boyden chamber // Methods Mol. Biol. – 2011. – V. 769. – P. 87–95. – doi: 10.1007/978-1-61779-207-6_7.