3D modeling of prostate cancer tumor microenvironment: Benefits and drawbacks of different hydrogels

Abstract

Prostate cancer is in Finland the most diagnosed and globally the second most diagnosed cancer type among men. Since prostate cancer affects millions of people, it would be crucial to develop clinically significant models to investigate the disease. Current organoids and other cell-based models cannot replicate primary tumors properly and nearly all commercial cell models are derived from metastatic cells. Therefore, it would be vital to find solutions to modeling all stages of prostate cancer and different tumors. More advanced models could increase knowledge in the early stages and progression of prostate cancer and could be used in establishing personalized treatments. Hydrogels can be utilized in modeling applications. Hydrogels are hydrophilic 3D structures that can absorb and hold significant amounts of water and are therefore suitable for tumor microenvironment modeling.

Normal prostatic tissue is comprised of organized epithelial cells and stroma. This microenvironment changes during cancer progression towards more disorganized state. Fibroblasts become cancer-associated fibroblasts that produce over actively growth factors, cytokines and other factors. These factors induce, for example, angiogenesis, chronic inflammation, microenvironment stiffening, immunosuppression and remodeling of extracellular matrix. These changes contribute to the progression and metastasis of prostate cancer.

Tumor microenvironment is a complex system, making its modeling challenging. This demands multiple properties from utilized hydrogels, such as modifiability, biocompatibility and adhesion sites for cells. However, every hydrogel has its own benefits and drawbacks, thus making them suitable for specific applications. This thesis aims to summarize benefits and drawbacks of different hydrogels utilized in 3D modeling of prostate cancer tumor microenvironment. Hydrogels can be divided, for example, into natural, synthetic and hybrid hydrogels according to their origin. This thesis reviews examples of most utilized hydrogels in prostate cancer tumor microenvironment modeling.

Currently, hydrogel-based models are not sufficient to model the whole complexity of tumor microenvironment. For example, hydrogel-models lack proper vascularization and innervation along with multiple cell types, such as immune cells. Hydrogel-models thus require more optimization to obtain their full potential.

Eturauhassyöpä on Suomessa yleisin ja maailmanlaajuisesti toiseksi yleisin syöpä miehillä. Tämän vuoksi olisi tärkeää kehittää tätä sairautta kuvaavia malleja, jotka ovat kliinisesti merkittäviä. Tällä hetkellä eturauhassyövän mallintamisessa hyödynnetyt organoidit ja muut solumallit eivät kykene kuvaamaan primaarikasvaimia kunnolla ja lähes kaikki nykyisin käytettävät kaupalliset solumallit ovat peräisin metastaasien soluista. Olisi siis tärkeää löytää ratkaisuja, joilla voitaisiin mallintaa kaikkia syövän vaiheita sekä erilaisia kasvaimia. Tällaisten kehittyneempien mallien avulla voitaisiin saada lisää tietoa eturauhassyövän alkuvaiheista ja kehityksestä sekä löytää yksilöllisempiä hoitoja. Mallintamisessa voidaan hyödyntää hydrogeelejä, jotka ovat polymeereistä koostuvia 3D rakennelmia, jotka pystyvät imemään ja varastoimaan merkittävästi vettä. Ominaisuuksiensa ansiosta hydrogeelit sopivat kasvaimen mikroympäristön mallintamiseen.

Jotta voisi mallintaa kasvaimen mikroympäristöä, tulee tietää, mitä se sisältää. Normaali eturauhaskudos koostuu järjestäytyneistä epiteelisoluista sekä stroomasta. Kasvaimen mikroympäristö muuttuu syövän edetessä ja onkin merkityksellinen syövän kehitykselle. Syövän edetessä järjestäytyneisyys menetetään ja fibroblastit muuttuvat aktiivisiksi syöpään liittyviksi fibroblasteiksi, jotka tuottavat yliaktiivisesti kasvutekijöitä, sytokiineja sekä muita tekijöitä. Nämä tekijät aikaansaavat esimerkiksi angiogeneesiä eli verisuonten uudismuodostusta, kroonista tulehdusta, mikroympäristön jäykistymistä, immuunijärjestelmän heikentymistä sekä soluväliaineen muokkautumista. Nämä muutokset osaltaan edistävät syövän kehittymistä sekä leviämistä.

Kasvaimen mikroympäristö on monimuotoinen, jolloin sen mallintaminen vaatii käytetyiltä materiaaleilta useita ominaisuuksia kuten muokattavuutta, bioyhteensopivuutta sekä sitoutumiskohtia soluille. Jokaisella hydrogeelillä on kuitenkin omat vahvuutensa ja heikkoutensa, joiden takia ne soveltuvat tiettyihin sovelluksiin. Tämän kandidaatin tutkielman tavoitteena on esitellä eri hydrogeelien vahvuuksia ja heikkouksia 3D malleissa. Hydrogeelejä voidaan jaotella alkuperänsä mukaan esimerkiksi luonnollisiin, synteettisiin ja hybridihydrogeeleihin. Tässä tutkielmassa esitellään esimerkkejä eturauhassyöpäkasvaimen mikroympäristön mallintamiseen yleisimmin käytetyistä hydrogeeleistä.

Tällä hetkellä hydrogeelimalleilla on kuitenkin vielä ongelmia, jotka vaikuttavat mallien käyttökelpoisuuteen. Hydrogeelipohjaisista malleista puuttuvat esimerkiksi kunnollinen verisuonitus sekä hermotus ja useat eri solutyypit, kuten immuunisolut. Hydrogeelimallit tarvitsevat siis vielä optimointia, jotta niiden parhaat ominaisuudet saataisiin hyödynnettyä.