ciclo cellulare

Principi di Oncologia
Sperimentale
METASTASI SPERIMENTALI
RIPRODUZIONE DEL PROCESSO METASTATICO
IN VITRO
4° S. Beninati
A. De Martino
DYLAN
METASTASI SPERIMENTALE
• Il processo metastatico può essere
riprodotto sperimentalmente e quindi
suddiviso nelle fasi che lo compongono.
• In tal modo è possibile studiare i diversi
momenti
dell’invasione
metastatica
riducendo le possibili variabili.
• L’osservazione
diviene
facilmente
interpretabile, permettendo di definire il
bersaglio della ricerca
Farmaci antineoplastici
• Una molecola o un insieme di molecole si
definisce antineoplastica quando esercita
una azione tesa ad inibire lo sviluppo e la
disseminazione delle cellule tumorali.
• Il termine antineoplastico è generico
poiché non specifica quale fase della
crescita tumorale viene colpita dalla
molecola.
Antiproliferativo o antimetastatico?
• Un tumore può essere altamente proliferante ma
con bassa metastaticità (questa condizione è
presente soprattutto nei tumori benigni)
• Al contrario può essere altamente metastaticio
ma con bassa proliferazione
• Può anche possedere le due caratteristiche
assieme
Modelli sperimentali
• Al fine di studiare quale fase del processo
tumorale viene influenzata dalla molecola in
esame, si utilizzano modelli sperimentali.
• Si distinguono come:
• 1. modelli multivariabile (poiché comprendono più fasi del
processo, possono essere in vitro e in vivo utilizzando topi
o ratti.)
• 2. modelli monovariabile (sono eseguiti solamente in vitro
poiché viene valutata una singola fase del processo)
Camere di Boyden
un esempio di modello multivariabile
• Le camere di Boyden rappresentano un
modello sperimentale multivariabile in
vitro, poichè riproduce i seguenti passaggi:
• 1. adesione
• 2. rilascio di metalloproteasi
• 3.invasione
• Tale modello quindi permette di valutare il
potere metastatico nelle tre variabili citate
ADESIONE
Le cellule tumorali
aderiscono al
substrato (Matrigel)
PROTEOLISI
Secrezione di
matalloproteasi
che idrolizzano il
Matrigel
INVASIONE
Superata la
barriera del
Matrigel le cellule
tumorali invadono
il compartimento
sottostante
Modelli monovariabile
• I modelli monovariabile permettono di
discriminare i singoli passaggi del
processo metastatico.
• Si effettuano in vitro utilizzando cellule di
una linea tumorale metastatica
• Con questi modelli è possibile valutare
l’effetto di un farmaco su di una o più fasi
del processo metastatico.
Modelli sperimentali in vitro
• Essi permettono di valutare:
•
•
•
•
proliferazione
adesione
migrazione
Invasione
Modelli sperimentali in vivo
• Permettono di valutare due parametri:
• proliferazione
• Colonizzazione/invasione
Modelli in vitro: Proliferazione
• La proliferazione cellulare è legata a
cinque fasi della vita della cellula:
• Il ciclo di crescita
• Il ciclo cellulare
• La divisione cellulare
• Il differenziamento
• Morte cellulare (Apoptosi e/o Anoikis)
Il ciclo di crescita
• IL CICLO DI CRESCITA CONTROLLA MOLTI
PASSAGGI CHE SONO NECESSARI PER LA
COLTURA DI CELLULE ANIMALI.
•
1. LA DENSITÀ CELLULARE DI SEMINA
2. IL TEMPO DI CRESCITA
3. LA DURATA DI UN ESPERIMENTO
4. IL MOMENTO ADATTO PER IL PRELIEVO DEI
CAMPIONI
5. IL METABOLISMO CELLULARE
• Il ciclo cellulare
MITOSI
FASE G1
G
0
FASE G2
FASE S
Il ciclo cellulare
Quando le cellule tumorali cominciano il processo
"semplicemente" infrangono e violano tutte le regole!!!
di
divisone,
Le cellule cancerogene possono iniziare a dividersi senza la necessità
di ricevere segnali esterni positivi.
È come dire che un'automobile può iniziare a muoversi senza premere il
pedale dell'acceleratore.
Per esempio, la crescita di cellule tumorali in una mammella può avvenire
senza il bisogno di estrogeno, il fattore di crescita necessario alle cellule
sane. Alcune cellule tumorali mammarie perdono completamente la loro
capacità di rispondere all'estrogeno, bloccando l'espressione dell'estrogeno
recettore all'interno della cellula.
Tali cellule saranno quindi capaci di replicarsi senza la necessità di ricevere
un segnale di crescita dall'esterno.
Le cellule cancerogene non manifestano inibizione per contatto.
Mentre la maggior parte delle cellule sono in grado di "percepire di essere urtate e pigiate" da
altre cellule vicine, le cellule tumorali non rispondo assolutamente a tale segnale di "fine della
replicazione". Di conseguenza, la crescita continua, porta all'accatastamento di cellule e quindi
la formazione di una massa tumorale.
Le cellule tumorali possono dividersi anche senza aver ricevuto il segnale di
"via libera".
Contrariamente alle cellule sane che smettono di dividersi in presenza di
materiale genetico (DNA) danneggiato, le cellule cancerogene continuano a riprodursi. Come
risultato di tale processo si otterranno cellule figlie contenenti un DNA anomalo o addirittura un
numero di cromosomi anormale. Le cellule mutate sono anche più anomale della cellula
genitrice. In questo modo, le cellule cancerogene possono diventare progressivamente ancora
"più anormali" e contenere sempre un maggior numero di "errori".
Una divisione cellulare continua, conduce alla formazione di tumori.
L'instabilità del patrimonio genetico che deriva da processi di divisione aberranti, contribuisce
allo sviluppo del fenomeno di resistenza ai farmaci, caratteristico di molti tipi di tumori. Le
mutazioni di alcuni geni specifici possono alterare il comportamento delle cellule in modo da
indurre un aumento della crescita del tumore e il suo sviluppo.
• LE FASI
MITOSI
FASE G1
G
0
FASE G2
FASE S
Crescita
E SINTESI PROTEICA
FASE G1
APPROFONDIMENTO
a.a.
a.a.
a.a.
trascrizione
traduzione
a.a.
a.a.
a.a.
DNA
mRNA
PROTEINA
LE FASI
MITOSI
FASE G1
G0
FASE G2
FASE S
FASE S
Duplicazione del DNA
DNA DI
NUOVA
SINTESI
DNA
POLIMERASI
3’
3’
5’
5’
ELICASI
FRAMMENTI
DI OKASAKI
LE FASI
MITOSI
FASE G1
G0
FASE G2
FASE S
FASE G2
Compattazione (o condensazione) del DNA
1400
nm
300
nm
2 nm
11 nm
LE FASI
MITOSI
FASE G1
G0
FASE G2
FASE S
MITOSI
Divisione cellulare
La MITOSI permette la duplicazione (divisione in due parti uguali)
della cellula conservando il corredo cromosomico della cellula madre
(questo è composto da coppie di cromosomi omologhi, ossia cromosomi di origine paterna e materna contenenti geni corrispondenti
ma non identici)
2n
2n
Sfruttando la costruzione di un FUSO MITOTICO
ripartisce con precisione il DNA nelle due cellule figlie
Lo schema di funzionamento è sfruttato ugualmente dalle cellule di tutti gli
organismi ma differisce leggermente per la presenza o meno di una parete cellulare
2n
Il ciclo cellulare
Il ciclo cellulare comprende:
• Fase G1
• Fase S
• Fase G2
• Mitosi e citodieresi
Per alcune cellule vi è una fase di quiescenza (G0) che può durare
per tutta la vita
Regolazione
del
ciclo
cellulare
Esistono almeno 3 punti di controllo, in G1, G2 e M
Su questi punti agiscono fattori di crescita
Regolazione del
ciclo cellulare
Altri fattori sono:
• inibizione da contatto
• dipendenza dall’ancoraggio
Ciclo cellulare e tumori
I tumori derivano da un accrescimento anomalo di cellule che
hanno perso il controllo del ciclo cellulare.
I tumori benigni rimangono nel sito di origine, quelli maligni (o
cancro) migrano in altri distretti (metastasi).
Ciclo cellulare e tumori
I tumori derivano dalla combinazione di vari fattori: modificazioni
genetiche delle cellule, risposta immunitaria inefficiente, alterazione
dell’apoptosi, interruzione della senescenza, angiogenesi.
Citometria a flusso o
Citofluorimetria
Il differenziamento
• Nelle linee cellulari utilizzate, il
differenziamento può essere rivelato
osservando alcuni markers specifici.
• Nelle linee di melanoma l’aumentata
produzione di melanina è segno di
differenziamento
µg melanin/mg protein
40
Linea cellulare B16-F10
30
20
10
0
Control
AE 48h
AE 72h
Morte cellulare (Apoptosi)
• il termine apoptosi indica una forma di
morte cellulare programmata.
• Si tratta di un processo ben distinto
rispetto alla necrosi cellulare, e in
condizioni normali contribuisce al
mantenimento del numero di cellule di un
sistema.
La morte cellulare programmata
La capacità di autodistruggersi mediante l’attivazione di un
programma di «suicidio» è l’apoptosi.
Elimina cellule in
eccesso o danneggiate
nel DNA.
Modella un embrione
durante lo sviluppo.
Una cellula in apoptosi. In
uno dei molti scenari
apoptotici, il processo è
stimolato da una cellula
adiacente; la cellula morente
espone in seguito segnali
che richiamano dei
macrofagi
Percentuale di cellule in apoptosi misurata con il citofluorimetro
(evidenzia il numero di cellule in una certa fase del ciclo cellulare)
Cellule apoptotiche
Cellule in apoptosi
Cellule in apoptosi
Morte cellulare (Anoikis)
• Anoikis rappresenta l’apoptosi indotta da
uno scorretto attacco delle cellule alla
matrice extracellulare (ECM).
• E’ il meccanismo attraverso il quale le
cellule in vivo utilizzano segnali che
derivano dal ECM per mantenere
l’integrità dei tessuti.
•
Leggere: Gilmore A.P. Cell Death and Differentiation (2005)12,1473
Modelli in vitro:adesione
• Il primo passo per lo stravaso delle cellule tumorali è
l’adesione alle cellule endoteliali, mediato da molecole di
adesione cellulare (cell adhesion molecules – CAMs),
che comprendono la famiglia I-CAM ed N-CAM
(integrine), lectine di superficie cellulare e glicoproteine
che si legano alle lectine espresse dalle cellule.
Adesione e sedi vascolari
• La selettività per specifiche sedi vascolari è
legata ai meccanismi di adesione alle pareti
vasali.
• Ma anche al tipo di enzimi degradativi prodotti
dalla cellula neoplastica e di enzimi inibitori
presenti nel tessuto invaso
• Contribuiscono anche fattori chemiotattici e
aptotattici che guidano l’insediamento della
singola cellula nei siti ottimali per la
proliferazione, ai fattori di crescita autocrini e
paracrini e alla possibilità di iniziare e mantenere
il processo angiogenico.
Si utilizzano piastre da 96 pozzetti il cui fondo è rivestito
con collagene, laminina o fibronectina
Le cellule da saggiare vengono
piastrate nei pozzetti e incubate per 2
ore a 37 C°.
Test di adesione cellulare in vitro
Dopo aver rimosso il mezzo di coltura
si aggiunge un colorante vitale e
quindi incubate per altri 10 minuti a
temperatura ambiente
N° adherent cells
60000
40000
20000
0
Control
48h
Adhesion
(Matrigel adhesion assay)
72h
Modelli in vitro:migrazione
• Il monostrato cellulare quando danneggiato,
risponde alla distruzione del contatto cellulacellula e alla produzione di fattori di crescita nel
punto danneggiato, cercando di rimarginare la
ferita per mezzo sia della proliferazione che
della migrazione.
•
• Questi processi riflettono il comportamento di
ogni singola cellula, ma anche quello di tutta la
popolazione cellulare.
Wound Healing assay
• Il tipico “Wound Healing assay”, (WHM) si ottiene graffiando la
superfice di una coltura cellulare alla confluenza, usando l’ago di
una siringa o la punta di una pipetta.
• Il monostrato cellulare cerca di sanare la ferita in tempi
relativamente brevi (da 3 a 48 ore).
• Il processo può essere quantificato con l’analisi di immagine
computerizzata sotto osservazione al Microscopio Ottico
CONTROLLO
TEMPO 0
Migration
(Wound Healing Migration Assay)
48 ORE
Migration
(Wound Healing Migration Assay)
% migration
100
75
*
50
25
0
C ontrol
AE
circular wound-healing (CWA)
• Una variazione del “Wound Healing
Migration Assay” è il CWA.
• In questo caso si utilizza una punta di
silicone ruotante per creare una ferita
circolare uniforme, in un momolayer di
cellule alla confluenza.
circular wound-healing (CWA)
Modelli in vitro: invasione
L’invasione di cellule tumorali può essere
valutata con il “3D invasion/morphogenic
assay” oppure con il “Circular invasion assay”.
3D invasion/morphogenic assay
Nel 3D invasion/morphogenic assay le cellule sono immerse in una matrice
gelatinosa che mima la matrice extracellulare. Il modello si definisce
tridimensionale poiche le cellule possono migrare nelle tre dimensioni dello
spazio.
Al fine di valutare la capacità invasiva vengono contate le estroflessioni
cellulari dopo un certo periodo di tempo
matrice gelatinosa
Control
48h
72h
(3D invasion/morphogenic assay)
N° of processes / cell
6
5
4
3
2
1
0
Control
AE 48h
AE 72h
(3D invasion/morphogenic assay)
Circular invasion assay (CIA)
• Il “circular invasion assay” (CIA) si è
sviluppato recentemente (2007) per
sostituire il classico in vitro “wound-healing
assays” e altre tecniche per lo studio della
migrazione e invasione nelle metastasi.
Circular invasion assay
• Anche in questo caso si utilizza una punta ruotante di
silicone che crea una ferita perfettamente circolare nel
monolayer cellulare.
• A differenza del CWA la tecnica CIA utilizza il Matrigel
che viene steso sopra la coltura cellulare, mimando la
matrice extracellulare.
• Il modello si avvicina molto a quello che accade in vivo
l’aggiunta di Matrigel permette di valutare la reale
invasione.
• A differenza del CWA che permette di valutare
solamente la migrazione.
• Comparando le dimensioni della ferita nel tempo si può
quantificare l’invasione di cellule tumorali
t=0
AE
Control
Circular invasion assay
12h
% wound closure
30
24h
20
*
10
0
Control
AE