Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2025. Том 70. № 5
DOI:10.33266/1024-6177-2025-70-5-11-17
Е.А. Мысина, Д.Д. Колманович, Н.Р. Попова, Б.А. Бокль,
Н.А. Пивоваров, Н.Н. Чукавин, И.В. Савинцева, Д.А. Винник, А.Л. Попов
3D КЛЕТОЧНЫЙ СФЕРОИД КАК РЕЛЕВАНТНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ СКРИНИНГА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ НАНОРАДИОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино
Контактное лицо: А.Л. Попов, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
РЕФЕРАТ:
Цель: Монослой клеток (2D культура) используется на протяжении десятилетий для скрининга биологической активности различных биомолекул, наноконъюгатов и других терапевтических агентов. Однако, 2D культура не может полностью воспроизвести реальные физиологические структуры и условия организма человека, в частности, организацию и микроокружение солидной опухоли. Это создаёт значительные ограничения для проведения релевантных трансляционных исследований биологического эффекта новых терапевтических препаратов и подходов к лучевой терапии опухолей. Для преодоления данных ограничений разрабатываются и внедряются в использование модели на основе 3D клеточных сфероидов, которые позволяют наиболее достоверно воспроизвести структуру и условия солидной опухоли, включая формирование трёхмерного межклеточного матрикса, характерной зональности и соответствующую экспрессию генов. Цель данной работы – создание экспериментальной модели 3D клеточного сфероида, сформированного на основе клеток опухоли молочной железы мыши линии EMT6/P, и её валидация в условиях облучения рентгеновским излучением для скрининга потенциальных нанорадиосенсибилизаторов.
Материалы и методы: Формирование 3D клеточного сфероида и оценка биологического воздействия на него рентгеновского излучения выполнялись на культуре клеток линии EMT6/P (карцинома молочной железы мыши). Для формирования клеточных сфероидов использовался метод «висячей капли». Облучение клеточных сфероидов проводили на рентгеновской установке РУТ-15 в дозе 0–10 Гр. Анализ жизнеспособности клеток после облучения оценивали методом проточной цитометрии с использованием окрашивания суспензии клеток набором флуоресцентных красителей Annexin V-FITC/йодид пропидия. Оценку миграционной активности клеток облученного сфероида оценивали путем анализа конфлюэнтности после переноса сфероида на адгезивный пластик.
Результаты: Показано дозозависимое снижение миграционной активности клеток после облучения рентгеновским излучением в диапазоне доз 1–10 Гр. Установлено, что дозы 6–8 Гр являются оптимальными для анализа потенциальных радиосенсибилизаторов методом оценки миграционной активности клеток. На примере цитрат-стабилизированных наночастиц оксида церия (СеО2) показана возможность использования данной модели для экспресс-скрининга наноматериалов, обладающих радиосенсибилизирующим действием.
Заключение: Разработан и валидирован метод формирования 3D клеточных сфероидов из клеток линии EMT6/P. Подобрана оптимальная доза облучения рентгеновским излучением полученного клеточного сфероида для экспресс-скрининга потенциальных радиосенсибилизаторов. Подтверждена функциональность и воспроизводимость разработанной экспериментальной модели.
Ключевые слова: 3D клеточный сфероид, модель солидной опухоли, рентгеновское излучение, радиосенсибилизация
Для цитирования: Мысина Е.А., Колманович Д.Д., Попова Н.Р., Бокль, Б.А., Пивоваров Н.А., Чукавин Н.Н., Савинцева И.В., Винник Д.А., Попов А.Л. 3D клеточный сфероид как релевантная экспериментальная модель для скрининга потенциальных нанорадиосенсибилизаторов // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2025. Т. 70. № 5. С. 11–17. DOI:10.33266/1024-6177-2025-70-5-11-17
Список литературы
1. Sung H., Ferlay J., Siegel R.L., Laversanne M., Soerjomataram I., Jemal A., Bray F. Global Cancer Statistics 2020: Globocan Estimates of Incidence and Mortality Worldwide for 36 Cancers in 185 Countries. CA. A Cancer Journal for Clinicians. 2021. Vol. 71. Global Cancer Statistics 2020;3:209-249.
2. Kapałczyńska M., Kolenda T., Przybyła W., Zajączkowska M., Teresiak A., Filas V., Ibbs M., Bliźniak R., Łuczewski Ł., Lamperska K. 2D and 3D Cell Cultures - a Comparison of Different Types of Cancer Cell Cultures. Archives of Medical Science: AMS. 2018;14;4:910-919.
3. Zhang C., Sui Y., Liu S., Yang M. In Vitro and in Vivo Experimental Models for Cancer Immunotherapy Study. Current Research in Biotechnology. 2024;7:100210.
4. Baker B.M., Chen C.S. Deconstructing the Third Dimension ‒ How 3D Culture Microenvironments Alter Cellular Cues. Journal of Cell Science. 2012;125;13:3015-24. doi: 10.1242/jcs.079509.
5. Gunti S., Hoke A.T.K., Vu K.P., London N.R. Organoid and Spheroid Tumor Models: Techniques and Applications. Cancers. 2021;13;4:874. doi: 10.3390/cancers13040874
6. Rofstad E.K. Growth and Radiosensitivity of Malignant Melanoma Multicellular Spheroids Initiated Directly from Surgical Specimens of Tumours in Man. British Journal of Cancer. 1987; 54;4:569-578.
7. Rofstad E.K., Wahl A., Brustad T. Radiation Response of Human Melanoma Multicellular Spheroids Measured as Single Cell Survival, Growth Delay, and Spheroid Cure: Comparisons with the Parent Tumor Xenograft. International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics. 1986;
12;6:975-982.
8. Wheldon T.E., Livingstone A., Wilson L., O’Donoghue J., Gregor A. The Radiosensitivity of Human Neuroblastoma Cells Estimated from Regrowth Curves of Multicellular Tumour Spheroids. The British Journal of Radiology. 1985;58;691:661-664.
9. Wei Q., Xu W., Han M., Dong Q., Fu Z., Diao, Liu H., Xu J., Jiang H., Zheng S., Gao J.-Q., Jiang H. Doxorubicin-Mediated Radiosensitivity in Multicellular Spheroids from a Lung Cancer Cell Line is Enhanced by Composite Micelle Encapsulation. International Journal of Nanomedicine. 2012;7:2661-2671.
10. Brüningk S.C., Rivens I., Box C., Oelfke U., Ter Haar G. 3D Tumour Spheroids for the Prediction of the Effects of Radiation and Hyperthermia Treatments. Scientific Reports. 2020;10;1:1653.
11. Bromma K., Beckham W., Chithrani D.B. Utilizing Two-Dimensional Monolayer and Three-Dimensional Spheroids to Enhance Radiotherapeutic Potential by Combining Gold Nanoparticles and Docetaxel. Cancer Nanotechnology. 2023;14;1:80.
12. Higashi Y., Matsumoto K., Saitoh H., Shiro A., Ma Y., Laird M., Chinnathambi S., Birault A., Doan T.L.H., Yasuda R., Tajima T., Kawachi T., Tamanoi F. Iodine Containing Porous Organosilica Nanoparticles Trigger Tumor Spheroids Destruction Upon Monochromatic X-Ray Irradiation: DNA Breaks and K-Edge Energy X-Ray. Scientific Reports. 2021;11;1:14192.
13. Tang J.L.Y., Moonshi S.S., Ta H.T. Nanoceria: an Innovative Strategy for Cancer Treatment. Cellular and Molecular Life Sciences: CMLS. 2023;80;2:46.
14. Ivanova O.S., Shekunova T.O., Ivanov V.K., Shcherbakov A.B., Popov A.L., Davydova G.A., Selezneva I.I., Kopitsa G.P., Tret’yakov Yu.D. One-Stage Synthesis of Ceria Colloid Solutions for Biomedical Use. Doklady Chemistry. 2011;437;2:103-106.
15. Li Y.Q., Guo Y.P., Jay V., Stewart P.A., Wong C.S. Time Course of Radiation-Induced Apoptosis in the Adult Rat Spinal Cord. Radiotherapy and Oncology. 1996;39;1:35-42.
16. Zamyatina E.A., Goryacheva O.A., Popov A.L., Popova N.R. Novel Pyrroloquinoline Quinone-Modified Cerium Oxide Nanoparticles and Their Selective Cytotoxicity Under X-Ray Irradiation. Antioxidants. 2024;13;12:1445.
17. Mysina E., Vinnik D., Pivovarov N., Popova N., Chukavin N., Popov A. Nanoceria Inhibit the Cell Migration from 3D Tumor Spheroid Formed From 4T1 Human Breast Cancer Cells. Biology and Life Sciences, 2025;16;2 (Print).
18. Hirschhaeuser F., Menne H., Dittfeld C., West J., Mueller-Klieser W., Kunz-Schughart L.A. Multicellular Tumor Spheroids: An Underestimated Tool is Catching up Again. Journal of Biotechnology. 2010;148;1:3-15.
19. Wojtkowiak J.W., Verduzco D., Schramm K.J., Gillies R.J. Drug Resistance and Cellular Adaptation to Tumor Acidic PH Microenvironment. Molecular Pharmaceutics. 2011;8;6:2032-2038.
20. West C.M., Sutherland R.M. The Radiation Response of a Human Colon Adenocarcinoma Grown in Monolayer, as Spheroids, and in Nude Mice. Radiation Research. 1987;112;1:105-115.
21. Schwachöfer J.H.M., Hoogenhout J., Kal H.B. The Radiation Response of a Human Lung Adenocarcinoma Grown in Monolayer, as Spheroids, and in Nude Mice. Lung Cancer. 1991;7;4:213-223.
22. Kornienko A.I., Teplonogova M.A., Shevelyova M.P., Popkov M.A., Popov A.L., Ivanov V.E., Popova N.R. Novel Flavin Mononucleotide-Functionalized Cerium Fluoride Nanoparticles for Selective Enhanced X-Ray-Induced Photodynamic Therapy. Journal of Functional Biomaterials. 2024;15;12:373.
23. Kolmanovich D.D., Romanov M.V., Khaustov S.A., Ivanov V.K., Shemyakov A.E., Chukavin N.N., Popov A.L. Proton Beam-Induced Radiosensitizing Effect of Ce0.8Gd0.2O2-x Nanoparticles Against Melanoma Cells in Vitro. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2024;15;5:675-682.
PDF (RUS) Полная версия статьи
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование. Статья подготовлена в рамках гранта РНФ № 22-73-10231, https://rscf.ru/project/22-73-10231/.
Участие авторов. Е.А. Мысина – работа со сфероидами (культивировнаие, облучение, анализ жизнеспособности), Д.Д. Колманович– проточная цитометрия и анализ данных, Н.Р. Попова – научное редактирование текста, Б.А. Бокль – сбор и анализ литературного материала, Н.А. Пивоваров – сбор и анализ литературного материала, Н.Н. Чукавин – научное редактирование текста, И.В. Савинцева– культивирование клеток, Д.А. Винник– облучение сфероидов, А.Л. Попов – разработка дизайна исследования, научное руководство.
Поступила: 20.05.2025. Принята к публикации: 25.06.2025.