Новый орган-чип моделирует метастазирование рака

Исследователи из Колумбийской школы инженерных и прикладных наук разработали многоорганную микроплатформу — так называемый «орган-чип», — способную воспроизводить ключевой этап метастазирования: выход раковых клеток из сосудистого русла и их колонизацию удалённых органов. В системе используются лабораторно выращенные человеческие ткани кости, лёгкого и эндотелия кровеносных сосудов. Работа опубликована в журнале Science Translational Medicine.

Метастазирование как основная причина смертности

Большинство летальных исходов при онкологических заболеваниях связаны не с первичной опухолью, а с метастазами — процессом, при котором клетки опухоли отрываются от исходного очага, проникают в кровоток и формируют вторичные очаги в отдалённых органах. По имеющимся данным, метастазирование ответственно как минимум за две трети всех смертей от рака. Несмотря на десятилетия исследований, лекарства, направленные на предотвращение или остановку метастатического прогрессирования, демонстрируют ограниченную эффективность.

Проблема моделей для изучения метастазов

Одним из главных препятствий остаётся нехватка предиктивных моделей на человеческой ткани, позволяющих напрямую наблюдать за ходом метастазирования и выявлять факторы, обуславливающие уязвимость конкретных органов. Эксперименты на животных дали значительные знания о механизмах распространения рака, однако биология грызунов не воспроизводит полностью процессы, протекающие у пациентов. Эти различия частично объясняют, почему перспективные в доклинических испытаниях на животных терапевтические подходы часто оказываются неэффективными в клинических исследованиях.

Архитектура чипа и его функциональные возможности

Разработанная платформа представляет собой первую в своём роде модель, содержащую отдельные компартменты с миллиметровыми фрагментами костной и лёгочной ткани, соединённые проточным сосудистым каналом. Конструкция предусматривает наличие селективно проницаемого эндотелиального барьера между сосудистым руслом и органной тканью — аналогично анатомическому устройству кровеносных сосудов в организме. В канал вводились клетки рака молочной железы, после чего исследователи наблюдали за их взаимодействием с барьером, переходом в ткань и формированием характерных паттернов колонизации.

Профессор Колумбийского университета Гордана Вуньяк-Новакович, руководившая исследованием, подчеркнула: «Острая необходимость в создании моделей метастазирования на человеческих тканях стала ключевой мотивацией нашей работы. Мы ставили целью изучить способность раковых клеток прикрепляться к эндотелию и преодолевать его, а также определить их потенциал выживания в колонизируемых тканях посредством перепрограммирования клеток и ремоделирования микроокружения».

Органная специфичность и предварительное «подготовление» тканей

Платформа воспроизвела известную закономерность — органную тропность: клетки рака молочной железы, склонные к метастазированию в кость, более активно колонизировали искусственную костную ткань и вызывали в ней выраженную дегенерацию; клетки с лёгочной тропностью оказывали большее повреждающее воздействие на лёгочную ткань, но слабо колонизировали кость. Были зафиксированы различия в глубине инвазии и профилях секретируемых молекул — что свидетельствует о точной передаче ключевых особенностей орган-специфичного метастазирования.

Кроме того, чип продемонстрировал более скрытый механизм — формирование предметастатической ниши: до фактической колонизации раковые клетки выделяют сигнальные молекулы, изменяющие микроокружение удалённого органа и делая его более восприимчивым к последующему заселению. Анализ обоих компартментов выявил доказательства такого «условия» тканей до начала колонизации. Воспроизведение этой ранней фазы открывает возможности для изучения вмешательств, способных прервать метастатический процесс до образования вторичной опухоли.

Технологическая основа и междисциплинарное участие

Костная, лёгочная и эндотелиальная ткани получены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC), дифференцированных с использованием тканеспецифических каркасов и биореакторов. Отдельные компартменты обеспечивали условия, необходимые для сохранения функциональной зрелости каждой ткани в течение длительного времени. Сосудистая циркуляция осуществлялась через соединённый канал.

В проекте участвовали учёные из Комплексного онкологического центра им. Герберта Ирвинга Колумбийского университета: Андреа Калифано, профессор химической и системной биологии, Питер Симс, доцент системной биологии, и Ханина Хибшуш, профессор патологии и клеточной биологии. Руководитель Лаборатории стволовых клеток и тканевой инженерии Колумбийского университета Гордана Вуньяк-Новакович является одним из пионеров в области микрофизиологических систем — так называемых «органов на чипе».

Докторант Колумбийской школы инженерных и прикладных наук Илария Бальдассарри, одна из ведущих авторов исследования, отметила: «По мере того как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) и Национальные институты здравоохранения (NIH) всё больше делают акцент на новых методологических подходах, данное исследование служит конкретным примером практического применения такого сдвига — применительно к одному из самых сложных признаков рака: метастазированию».

Ссылка на публикацию: «Organ-specific colonization and niche remodeling in a human tissue model of metastasis» — Alan G. Chramiec, Ilaria Baldassarri, Ece Öztürk, Daniel Naveed Tavakol, Miranda C. Wang, Max Summers, Keith Yeager, Richard Z. Zhuang, Anushka Srivastava, Somnath Tagore, Diogo Teles, Hanina Hibshoosh, Andrea Califano, Peter A. Sims и Gordana Vunjak-Novakovic, 19 августа 2026 г., Science Translational Medicine. DOI: 10.1126/scitranslmed.adv6871. Исследование финансировалось Национальным институтом рака (NIH/NCI) и инициативой Chan Zuckerberg Initiative.