Developing a metastasis invasion assay comparing dextran and hyaluronic acid based custom composite hydrogels

Abstract

The prevalence of cancer is ever growing in the modern world. The primary cause of death in cancer related diseases is caused by the spreading of cancer to distant tissues and organs, a process called metastasis. This complex process is highly tied to the extracellular environment of the cell, as well as the mechanobiological signals it receives. One of the common in vitro approaches to study cell mechanobiology, as well as many different stages of metastasis, are hydrogel-based models for cell culture. These three-dimensional (3D) highly swelling hydrophilic polymer networks can create a similar environment for the cells as their natural extracellular matrix. Depending on the polymer used, it is possible to obtain desired mechanical properties, such as degradability and viscoelasticity that match those of natural tissue. The aim of this thesis is to develop and optimize a metastasis invasion assay comparing thi-ol chemistry modified hyaluronic acid (HA) and dextran hydrogels that are functionalized with proteins. First, the mechanical properties of the materials were tested to determine their rheo-logical properties, stiffness, and degradation rate. Next, the materials were tested with human colorectal carcinoma (HCT116) cells to observe any possible cytotoxicity, as well as cell viability and proliferation rates. Finally, an invasion assay with an inner hydrogel dome with embedded cells and a surrounding outer hydrogel dome was created to compare how the cell behavior differentiated between the two materials. Both groups that had the same material as both the inner and outer domes had cells behaving the same way as they did when cultured in that ma-terial normally. This meant spheroid growth in dextran hydrogels and two-dimensional (2D) colonies in HA hydrogels. However, the groups with two different materials as inner and outer domes presented differently. The group with HA as the inner dome and dextran as the outer dome formed 3D structures, such as spheroids, which had different morphology compared to the spheroids in dextran hydrogels. This behavior was unseen in any other HA-based experi-ments in this study. On the other hand, the group with dextran as the inner dome and HA as the outer dome presented more heterogenous morphology with both spheroids and large 2D cell colonies, which were in contact with each other. This developed invasion assay provides insight into the novel hydrogel materials, and how they can be used in 3D cancer modeling. This hydrogel platform can be used to study not only cancer invasion, but also cancer mechanobiology and in drug screening arrays for cancer ther-apy development.

Syövän esiintyvyys on alati kasvava nykymaailmassa. Pääkuolemansyy syöpäsairauksissa on syövän leviäminen muihin kudoksiin ja elimiin, eli metastaasi. Tämä monimutkainen tapahtumasarja on sidottuna solun ulkopuoliseen ympäristöön sekä sen vastaanottamiin mekanobiologisiin signaaleihin. Yksi yleisimmistä in vitro lähestymistavoista syövän mekanobiologian sekä metastaasin vaiheiden tutkimiseen on hydrogeelien käyttö soluviljelymalleina. Nämä kolmiulotteiset (3D) turpoavat hydrofiiliset polymeeriverkostot voivat luoda soluille niiden luontaista elinympäristöä vastaavan ympäristön. Polymeerista riippuen on mahdollista saavuttaa luonnollista kudosta vastaavia mekaanisia ominaisuuksia, kuten hajoavaisuus ja viskoelastisuus. Tämän tutkielman tavoite on kehittää ja optimoida metastaasi-invaasiokoe, joka vertailee tiolikemialla muokattuja ja proteiineilla funktionalisoituja hyaluronihappo- (HA) ja dekstraanihydrogeeleja. Materiaalien mekaaniset ominaisuudet testattiin ensin niiden reologisten ominaisuuk-sien, jäykkyyden ja hajoamisasteen määrittämiseksi. Seuraavaksi materiaaleja testattiin ihmisen suolistosyövän solujen (HCT116) kanssa mahdollisen sytotoksisuuden, sekä solujen elinkelpoisuuden ja proliferaation määrittämiseksi. Lopulta solujen käyttäytymiseroja kahden mate-riaalin välillä varten kehitettiin invaasiokoe, joka koostui soluja sisältävästä sisäisestä hydrogeelikuvusta, ja sitä ympäröivästä ulkoisesta hydrogeelikuvusta. Molemmissa koeasetelmissa, joissa sisäinen ja ulkoinen hydrogeelikupu koostuivat samasta materiaalista, solut käyttäytyivät samalla tavalla kuin materiaalille tavanomaisessa hydrogeelissä viljeltynä. Toisin sanoen, dekstraanihydrogeeleissä solut muodostivat soluryppäitä, ja HA-hydrogeeleissä solut kasvoivat kaksiulotteisina (2D) ryhmittyminä. Tästä poiketen ryhmissä, joissa olivat eri materiaalit sisäisen ja ulkoisen hydrogeelikuvun välillä, solujen ulkomuoto oli poikkeava. Koeasetelmassa, jossa käytettiin sisäistä HA-hydrogeelikupua ja ulkoista dekstraanihydrogeelikupua, solut muodostivat 3D rakenteita, kuten soluryppäitä, joilla oli kuitenkin erilainen morfologia dekstraanihydrogeeleihin verrattuna. Tätä ei esiintynyt tämän tutkimuksen muissa HA-hydrogeeliin pohjautuvissa testeissä. Koeasetelmassa, jossa käytettiin sisäistä dekstraanihydrogeelikupua ja ulkoista HA-hydrogeelikupua, esiintyi heterogeenistä morfologiaa, jossa oli sekä soluryppäitä, että laajempia 2D soluryhmittymiä vuorovaikutuksessa keskenään. Hankkeessa kehitetty invaasiokoe antaa uutta ymmärrystä uudenlaisiin hydrogeelimateriaaleihin, ja kuinka niitä voidaan hyödyntää syövän 3D-mallinnuksessa. Tätä hydrogeelialustaa voidaan käyttää syövän invaasion lisäksi syövän mekanobiologian tutkimisessa ja syöpälääkkeiden kehityksessä.