Studio della crescita di aggregati di cellule tumorali

Starting date
April 1, 2004
Duration (months)
12
Departments
Biotechnology
Managers or local contacts
Chignola Roberto

La prevalenza dei tumori in Italia varia tra 1.300-11.300 casi per 100.000 abitanti a seconda dell’eta’, del sesso e della regione geografica (stimata su 250.000 casi diagnosticati di tumore nel periodo 1978-1992, (1)). Queste stime da un lato destano particolare preoccupazione per la salute pubblica e dall’altro giustificano gli enormi sforzi compiuti negli anni dalla ricerca biomedica e clinica che ha portato indubbiamente a migliorare, rispetto al passato, sia le potenzialita’ diagnostiche che quelle terapeutiche. Nonostante questi sforzi alcuni tumori sfuggono ancora al controllo clinico. Tra questi vi sono sicuramente i tumori solidi che colpiscono diversi organi e che, come nel caso dei tumori cerebrali possono essere ancora oggi caratterizzati da una prognosi particolarmente infausta. Nel campo della ricerca sperimentale sono stati compiuti passi da gigante negli ultimi anni per quanto concerne la caratterizzazione delle tappe molecolari che presiedono la trasformazione cellulare (2) e, di conseguenza, nella ideazione di interventi terapeutici mirati. Tuttavia lo studio delle caratteristiche biologiche e biofisiche di una massa tumorale rimane ancora un problema aperto a causa soprattutto di limiti sperimentali: da un lato non e’ possibile per motivi etici studiare lo sviluppo e la organizzazione di cellule tumorali nell’uomo, dall’altro e’ difficile effettuare misure accurate non invasive anche in modelli di crescita tumorale che utilizzino animali da laboratorio. Sono state sviluppate tecniche che permettono di coltivare in vitro aggregati cellulari di cellule tumorali (sferoidi) in grado di simulare molte delle caratteristiche biologiche e molecolari osservate nelle regioni intervascolari dei tumori solidi o nelle micrometastasi non vascolarizzate e direttamente correlate all’architettura tridimensionale (3,4). Gli sferoidi, ma non le tradizionali colture cellulari bidimensionali, seguono cinetiche di crescita approssimabili con il modello fenomenologico di Gompertz (5) che tuttavia non fornisce indicazioni circa la dinamica della crescita tumorale. D’altra parte e’ noto da tempo che la dinamica della crescita tumorale sia in grado di influenzare la risposta al trattamento chemio-, radio- ed immuno-terapico (5-7). Due recenti lavori, entrambi condotti con sferoidi tumorali, indipendentemente hanno suggerito che all’interno di una massa tumorale si possano instaurare meccanismi di autoregolazione in cui la crescita risulta dall’azione contrapposta di forze di attrazione e di repulsione tra cellule (8,9). Queste osservazioni, ad oggi, non sono state ancora verificate nel dettaglio ne’ sperimentalmente ne’ sulla base di modelli biofisici di crescita. Capire le leggi che regolano la crescita e la organizzazione degli sferoidi potrebbe pertanto fornire importanti informazioni sulla biologia tumorale e portare alla ideazione di nuovi e piu’ efficaci interventi terapeutici.
Negli utlimi anni abbiamo sviluppato un simulatore numerico della crescita di aggregati tumorali (10). Il simulatore VIRTUS, nella sua configurazione attuale, descrive le cellule come oggetti discreti tra loro interagenti ed immersi in un ambiente realistico ove diffondono nutrienti, ossigeno ed altre molecole. Le cellule reagiscono alle variazioni ambientali poiche’ e’ stato in loro incorporato un modello minimo di metabolismo che, a livello di scala mesoscopica, e’ in grado di riprodurre i principali dati sperimentali (uptake di glucosio, storage e consumo di glucosio e di altri nutrienti, consumo di ossigeno, produzione di ATP). La sua connessione con il ciclo cellulare permette inoltre di riprodurre fenomeni di desincronizzazione del ciclo osservati per le popolazioni di cellule tumorali. La nostra presunzione, dunque, e’ quella di aver costruito un simulatore realistico della crescita di aggregati tumorali che possa essere di supporto allo studio delle leggi che regolano la proliferazione tumorale e la risposta degli stessi aggregati ai trattamenti antitumorali. La particolare strategia algoritmica seguita permette una progressiva complicazione del modello che potra’ comprendere, in futuro, una piu’ dettagliata descrizione dei meccanismi molecolari che presiedono alle molteplici funzioni cellulari.
Il progetto di ricerca si sviluppera’ secondo le linee seguenti:
1) modellizzazione piu’ dettagliata del metabolismo cellulare in relazione al ciclo cellulare: nella sua configurazione attuale il simulatore contiene cellule virtuali in grado di reagire alle variazioni ambientali grazie a leggi descritte in un modello minimo di metabolismo cellulare. Questo modello andra’ maggiormente dettagliato per descrivere in modo piu’ realistico il bilancio energetico della cellula e la sua compartimentalizzazione negli organelli subcellulari. Da tale bilancio, infatti, dipendono numerosi processi molecolari della fisiologia cellulare tra cui la sintesi del DNA e, in ultima analisi, la proliferazione cellulare. Per quanto concerne la sintesi e il controllo della organizzazione del DNA, sara’ opportuno sviluppare un modello in grado di riprodurre la instabilita’ genomica che si osserva durante la proliferazione dei tumori piu’ aggressivi e che consiste in una diseguale suddivisione del corredo cromosomico durante la mitosi. Tale modello permettera’ inoltre di mimare gli effetti delle terapie radianti sul materiale genetico. Questa fase richiedera’ notevoli sforzi congiunti tra biologi, in grado di comprendere ed estrarre i dati necessari presenti in letteratura, e fisici in grado di modellizzare i processi al computer. Tuttavia, questo sforzo permettera’ di riprodurre in silico le tappe molecolari fondamentali della fisiologia cellulare che oggi costituiscono il bersaglio di terapie mirate (ad esempio le terapie dirette al blocco della catena respiratoria mitocondriale o al ciclo cellulare, 11, 12).
2) modellizzazione delle interazioni tra cellule virtuali. In VIRTUS, le cellule sono attualmente modellizzate come sfere morbide con interazioni intercellulari che approssimano una risposta viscoelastica. L’interazione tra cellule dovra’ tener conto dei recenti risultati sperimentali che mostrano la natura probabilistica dell’adesione cellulare (13). Gli aspetti probabilistici dell’adesione cellulari dovranno pertanto essere studiati ed implementati in VIRTUS.
3) supporto sperimentale alla modellizzazione della crescita tumorale. Contemporaneamente allo sviluppo del simulatore, la fase modellistica verra’ affiancata dalla sperimentazione condotta in laboratorio con gli sferoidi tumorali o con colture standard bidimensionali. Tale sperimentazione riguardera’
1. la desincronizzazione del ciclo cellulare in relazione alla composizione del terreno di crescita e delle condizioni ambientali da effettuarsi con metodi citofluorimetrici;
2. la realizzazione di filmati sulla crescita di sferoidi al fine di ottenere dati precisi sulla espansione del volume degli stessi da confrontare con i risultati attesi dal modello.
Queste strategie sperimentali potranno essere realizzate grazie all’esperienza del laboratorio proponente nel campo dei metodi citofluorimetrici e dela crescita di sferoidi tumorali.

Bibliografia
(1) F.Berrino, in Istituto Nazionale Tumori: l’attivita’ clinico-scientifica del 2000 (disponibile online all’URL: www.istitutotumori.mi.it/menuistituto/struttura/pubblicazioni/pdf/epidemiologia.pdf)
(2) A.G.Knudson, Nature Rev. Cancer (2002) 1: 157
(3) R.M.Sutherland Science (1988) 240: 177
(4) M.T.Santini, G.Rainaldi, P.L.Indovina. Crit Rev Oncol Hematol. (2000) 36: 75
(5) R.Chignola et al. Br.J.Cancer (1995) 72: 607
(6) P.R.Twentyman Br. J. cancer (1980) 43; 297
(7) E.K.Rofstad and R.M.Sutherland Br. J. Cancer (1989) 59: 82
(8) R.Chignola et al. Cell Prolif. (2000) 33: 219
(9) T.S.Deisboeck et al. Cell Prolif. (2001) 34: 115
(10) R.Chignola, E.Milotti Physica D (2004), in press
(11) Swanton C. Lancet Oncol. (2004) 5: 27.
(12) Semenza GL. Nat Rev Cancer. (2003) 3: 721.
(13) Zhu C, Williams TE. Biophys J. (2000) 79: 1850.

Sponsors:

Ateneo
Funds: assigned and managed by the department
Syllabus: RICATENEO - Finanziamenti d'Ateneo per la Ricerca Scientifica

Project participants

Roberto Chignola
Associate Professor
Chiara Dalla Pellegrina

Collaboratori esterni

Edoardo Milotti
Universita' di Trieste Fisica Professore Associato
Alessio Del Fabbro
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Sez. di Trieste Patologia contratto

Activities

Research facilities