Lab-on-a-chip platform for breast cancer lung metastasis

Abstract

Breast carcinoma is the most prevalent form of malignancy affecting females worldwide. Breast cancer is contemplated as incurable disease after it metastasizes outside the breast or axillary lymph nodes. Most commonly, breast cancer tends to form a secondary tumor to the brain, lungs, bones, and liver. Mechanisms that lead to breast cancer metastasis are still poorly understood. Traditional in vivo and in vitro models fail to provide sufficient information about these mechanisms. Therefore, there is an urgent need for more effective in vitro models that could offer better insight into the mechanisms leading to the formation of metastases.

The Lab-on-a-chip (LOC) platform is an in vitro model capable of overcoming the limitations that traditional 2D and 3D models have. LOC platforms provide the opportunity to culture together various types of cells found within the tumor microenvironment of the original tumor and/or in distant metastatic sites. Recently, LOC platforms have garnered significant interest for studying different phases of breast cancer metastasis. These platforms have already been used, for example, to investigate the extravasation and invasion phases of breast cancer metastasis.

The aim of this research is to examine how Matrigel that contains multiple extracellular matrix components and the abundant extracellular matrix glycoprotein fibrin affect to the invasion of breast cancer cells towards the lung microenvironment. Finally, the results are to be compared. For the experiments, Matrigel and fibrin-based lung matrices are created inside the LOC-platform. Invasion of the breast cancer cells towards this created lung microenvironment is then monitored.

During the experiments, MDA-MB-231 cancer cells migrated towards the created lung microenvironment. In the case of the Matrigel, MCF7 cancer cells also moved closer to the lung microenvironment, which is contrary to the hypothesis. The experiments should be repeated multiple times to confirm the attractiveness of the lung microenvironment to cancer cells and the effect of fibrin and Matrigel to the cell invasion. Furthermore, gene sequencing analysis should be performed, especially in the case of Matrigel, to determine the factors that specifically affect cancer cell invasion.

Rintasyöpä on maailmanlaajuisesti yleisin naisiin vaikuttava syövän muoto. Kun rintasyöpä alkaa muodostaa etäpesäkkeitä rinnan tai kainalon imusolmukkeiden ulkopuolelle, sitä voidaan pitää parantumattomana sairautena nykyisillä syövän hoitomuodoilla. Yleisimmin rintasyöpä muodostaa etäpesäkkeitä aivoihin, keuhkoihin, luuhun sekä maksaan. Mekanismit, jotka johtavat etäpesäkkeiden syntyyn ovat edelleen huonosti ymmärrettyjä. Perinteiset in vivo- ja in vitro-mallit eivät kykene tarjoamaan tarpeeksi tietoa näistä mekanismeista. Tämän vuoksi on merkittävä tarve tehokkaammille in vitro-malleille, jotka voisivat tarjota parempaa ymmärrystä mekanismeista, jotka johtavat etäpesäkkeiden syntyyn.

Lab-on-a-chip (LOC) alusta on in vitro-malli, joka pystyy selättämään rajoituksia, joita tyypillisillä tällä hetkellä käytössä olevilla 2D- ja 3D-malleilla on. LOC alustat tarjoavat mahdollisuuden viljellä yhdessä useita eri solutyyppejä, joita löytyy alkuperäisen kasvaimen mikroympäristöstä ja/tai kaukaisista metastaattisista kohteista. LOC alustat ovat herättäneet merkittävää kiinnostusta rintasyövän metastaasien eri vaiheiden tutkimiseen. Niitä on jo käytetty esimerkiksi rintasyövän metastaasin ekstravasaatio ja invaasio vaiheiden tutkimiseen.

On vielä epäselvää, miten erilaiset soluväliaineen komponentit vaikuttavat rintasyövän kykyyn muodostaa etäpesäkkeitä. Tämän työn tavoitteena on tutkia, miten useita soluväliaineen komponentteja sisältävä Matrigel sekä soluväliaineen runsas glykoproteiini fibriini, vaikuttavat rintasyöpäsolujen invaasioon kohti keuhkokudosta. Lopuksi näitä tuloksia on vielä tarkoitus vertailla. Kokeita varten luodaan Matrigel- ja fibriinipohjaisia 3D-keuhkomatrikseja LOC-alustan sisälle. Tämän jälkeen rintasyöpäsolujen invaasiota kohti luotua keuhkoympäristöä seurataan fluoresenssimikroskoopilla.

MDA-MB-231 syöpäsolut liikkuivat tutkimusten aikana kohti keuhkoympäristöä sekä Matrigelin että fibriinin tapauksessa. Matrigelin tapauksessa myös MCF7 syöpäsolut liikkuivat lähemmäs keuhkoympäristöä, mikä on hypoteesin vastaista. Kokeet tulisi toistaa useampaan kertaan, jotta voitaisiin varmistua keuhkoympäristön houkuttavuudesta syöpäsoluille sekä fibriinin ja Matrigelin vaikutuksesta solujen invaasioon. Myös geenitestejä tulisi tehdä erityisesti Matrigelin tapauksessa, jotta saataisiin selville mitkä tekijät erityisesti vaikuttavat syöpäsolujen invaasioon.