Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2025. Том 70. № 4
DOI:10.33266/1024-6177-2025-70-4-16-20
Е.А. Мысина1, Н.Р. Попова1, А.Е. Шемяков1, 2, И.В. Савинцева1, Н.Н. Чукавин1, А.Л. Попов1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПУЧКА ПРОТОНОВ
НА ДИНАМИКУ РОСТА И ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ 3D КЛЕТОЧНЫХ СФЕРОИДОВ, СФОРМИРОВАННЫХ ИЗ КЛЕТОК КАРЦИНОМЫ ЛИНИИ 4Т1
1 Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино
2 ФТЦ Физического института РАН, Протвино
Контактное лицо: А.Л. Попов, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
РЕФЕРАТ:
Актуальность: Протонная терапия рассматривается как один из наиболее перспективных методов в лечении сложно локализованных опухолей, при этом до сих пор имеет некоторые недостатки, что требует разработки новых подходов к повышению ее эффективности. Одним из наиболее перспективных подходов является использование радиосенсибилизаторов, способных усиливать радиационно-индуцированные эффекты пучка протонов. При этом использование 2D моделей опухолевых клеток для скрининга потенциальных радиосенсибилизаторов является недостаточным для эффективной трансляции полученных экспериментальных данных на уровень in vivo. 3D клеточные сфероиды являются удобной и релевантной моделью для исследования новых подходов в терапии солидных опухолей, так как позволяют смоделировать условия микроокружения опухолевых клеток и смоделировать условия in vivo, включая наличие межклеточного матрикса и формирование определенной зональности.
Цель: Создание экспериментальной модели опухолевого сфероида на основе опухолевых клеток линии 4Т1 при их облучении пучком протонов для скрининга потенциальных нанорадиосенсибилизаторов.
Материал и методы: Оценка биологической действия in vitro выполнялась на культуре клеток линии 4Т1 (карцинома мыши). Для формирования клеточных сфероидов использовался метод «висячей капли». Облучение клеточных сфероидов проводили пучком протонов в пике Брэгга на терапевтической протонном комплексе «Прометеус» в дозе 0–12 Гр. Клоногенный тест использовали для анализа жизнеспособности и митотической активности клеток после облучения. Оценку динамики роста облученных 3D сфероидов оценивали путем анализа микроморфометрии в течение 8 дней после облучения.
Результаты: Показано дозозависимое снижение миграционной активности клеток после облучения пучком протонов в дозе
от 1 до 12 Гр в модифицированном пике Брэгга. Установлено, что дозы 8, 10 и 12 Гр являются оптимальными для анализа веществ потенциального радиосенсибилизатора методом микроморфометрии для сфероидов, сформированных из клеток линии 4Т1.
Заключение: Определен дозовый ответ клеточных сфероидов, сформированных из опухолевых клеток линии 4Т1, на облучение пучком протонов в модифицированном пике Брэгга через анализ клоногенной активности и микроморфометрии. При этом стоит отметить, что данный метод анализа не всегда может быть использован, так как облучение ионизирующим излучением может приводить и к обратному эффекту: увеличению размеров сфероидов с повышением дозы облучения за счет разрушения межклеточных контактов, снижению плотности сфероида и увеличению его общего объема.
Ключевые слова: клеточный сфероид, модель опухоли, адронная терапия, протоны
Для цитирования: Мысина Е.А., Попова Н.Р., Шемяков А.Е., Савинцева И.В., Чукавин Н.Н., Попов А.Л. Исследование влияния пучка протонов на динамику роста и жизнеспособность 3D клеточных сфероидов, сформированных из клеток карциномы линии 4Т1 // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2025. Т. 70. № 4. С. 16–20. DOI:10.33266/1024-6177-2025-70-4-16-20
Список литературы
1. Krukowski K., Grue K., Becker M., Elizarraras E., Frias E.S., Halvorsen A., Koenig-Zanoff McK., Frattini V., Nimmagadda H., Feng X., Jones T., Nelson G., Ferguson A.R., Rosi S. The Impact of Deep Space Radiation on Cognitive Performance: from Biological Sex to Biomarkers to Countermeasures. Sci Adv. 2021;7;42:eabg6702. doi:10.1126/sciadv.abg6702.
2. Weydert Z., et al. 3D Heterotypic Multicellular Tumor Spheroid Assay Platform to Discriminate Drug Effects on Stroma Versus Cancer Cells. Slas Discovery: Advancing the Science of Drug Discovery. 2020;25;3:265-276. doi: 10.1177/2472555219880194.
3. Zanoni M., et al. 3D Tumor Spheroid Models for in vitro Therapeutic Screening: a Systematic Approach to Enhance the Biological Relevance of Data Obtained. Scientific Reports 2016;6;1:19103. doi: 10.1038/srep19103.
4. Barbosa Mélanie A.G., et al. 3D Cell Culture Models as Recapitulators of the Tumor Microenvironment for the Screening of Anti-Cancer Drugs. Cancers 2021;14;1:190. doi: 10.3390/cancers14010190.
5. Mittler F., et al. High-Content Monitoring of Drug Effects in a 3D Spheroid Model. Frontiers in Oncology. 2017;7:293. doi: 10.3389/fonc.2017.00293.
6. Kolmanovich D.D., Chukavin N.N., Pivovarov N.A., Ivanov V.K., Popov A.L. Cellular Uptake of FITC-Labeled Ce0.8Gd0.2O2-x Nanoparticles in 2D and 3D Mesenchymal Stem Cell Systems. Nanosystems: Phys. Chem. Math. 2024;15;3:352-360. doi: 10.17586/2220-8054-2024-15-3-352-360.
7. Brüningk S.C., Ziegenhein P., Rivens I., et al. A Cellular Automaton Model for Spheroid Response to Radiation and Hyperthermia Treatments. Sci Rep. 2019;9:17674. doi: 10.1038/s41598-019-54117-x.
8. Zavestovskaya I.N., Filimonova M.V., Popov A.L., Zelepukin I.V., Shemyakov A.E., et al. Bismuth Nanoparticles-Enhanced Proton Therapy Concept and Biological Assessment. Materials Today Nano. 2024;100508. doi: 10.1016/j.mtnano.2024.100508.
9. Popov A.L., Kolmanovich D.D., Chukavin N.N., et al. Boron Nanoparticle-Enhanced Proton Therapy: Molecular Mechanisms of Tumor Cell Sensitization. Molecules. 2024;29;16:39369. doi: 10.3390/molecules291639369.
10. 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: Phys. Chem. Math. 2024;15;5:675-682. doi: 10.17586/2220-8054-2024-15-5-675-682.
11. Charalampopoulou A., Barcellini A., Magro G., Bellini A., Borgna S.S., Fulgini G., Ivaldi G.B., Mereghetti A., Orlandi E., Pullia M.G., et al. Advancing Radiobiology: Investigating the Effects of Photon, Proton, and Carbon-Ion Irradiation on PANC-1 Cells in 2D and 3D Tumor Models. Curr. Oncol. 2025;32:49. doi: 10.3390/curroncol32010049.
12. Al-Ramadan A., Mortensen A.C., Carlsson J., Nestor M.V. Analysis of Radiation Effects in Two Irradiated Tumor Spheroid Models. Oncol Lett. 2018 Mar;15;3:3008-3016. doi: 10.3892/ol.2017.7716.
13. Khan S., Bassenne M., Wang J., Manjappa R., Melemenidis S., Breitkreutz D. Y., Pratx G. Multicellular Spheroids as in vitro Models of Oxygen Depletion during Flash Irradiation. International Journal of Radiation Oncology* Biology* Physics. 2021;110;3:833-844. doi: 10.1016/j.ijrobp.2021.01.050.
14. Brüningk S.C., Rivens I., Box C., et al. 3D Tumour Spheroids for the Prediction of the Effects of Radiation and Hyperthermia Treatments. Sci Rep. 2020;10:1653.
15. Roohani S., Loskutov J., Heufelder J., Ehret F., Wedeken L., Regenbrecht M., Sauer R., Zips D., Denker A., Joussen A.M., Regenbrecht C.R.A., Kaul D. Photon and Proton irradiation in Patient-Derived, Three-Dimensional Soft Tissue Sarcoma Models. BMC Cancer. 2023 Jun 22;23;1:577. doi: 10.1186/s12885-023-11013-y.
16. Franken N., Rodermond H., Stap J. et al. Clonogenic Assay of Cells in vitro. Nat Protoc. 2006;1:2315–2319. doi: 10.1038/nprot.2006.339.
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), Н.Р. Попова– научное редактирование текста, А.Е. Шемяков – облучение и дозиметрия на протонном терапевтическом комплексе «Прометеус», И.В. Савинцева – культивирование клеток, Н.Н. Чукавин – научное редактирование текста, А.Л. Попов – разработка дизайна исследования, научное руководство.
Поступила: 20.03.2025. Принята к публикации: 25.04.2025.