Towards more reliable in vitro drug testing for head and neck squamous cell carcinoma via a human tumor–derived matrix

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7720-9
Title: Towards more reliable in vitro drug testing for head and neck squamous cell carcinoma via a human tumor–derived matrix
Author: Tuomainen, Katja
Other contributor: Helsingin yliopisto, lääketieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, medicinska fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Medicine, Department of Oral and Maxillofacial Diseases
Kliininen tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i klinisk forskning
Doctoral Program in Clinical Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-12-17
Language: en
Belongs to series: Dissertationes scholae doctoralis ad sanitatem investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7720-9
http://hdl.handle.net/10138/336649
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Head and neck cancer (HNSCC) is the 8th most common cancer globally. Despite improved therapy, the 5-year survival rate has remained stagnant, at approximately 50%. Current preclinical in vitro anticancer compound testing features a low predictive value. Traditionally, in vitro cancer cell studies are conducted on a plastic surface or using animal–derived extracellular matrices, thereby overlooking the important interaction between cancer cells and the human tumor microenvironment. To overcome this problem, we have developed a human tumor leiomyoma–derived matrix Myogel. The aim of this PhD project was to develop reliable in vitro methods for anticancer drug testing by providing a human TME for HNSCC cells. The first approach was to investigate whether the use of a Myogel matrix could improve the reliability of drug screening compared to conventional plastic or the typically applied mouse sarcoma–derived matrix, Matrigel. We applied a high-throughput drug screening (HTS) to test 19 anticancer compounds, targeting EGFR, MEK, or PI3K/mTOR on 12 HNSCC cell lines under five different culturing conditions; cells on a plastic surface and on top of or embedded in Myogel or Matrigel. We found that cells cultured in Myogel were less sensitive to the EGFR and MEK inhibitors than cultured in Matrigel or on plastic. Additionally, Myogel cultured cells reflected better the response rates of EGFR inhibitor clinical trials compared to the other cultures. Therefore, we concluded that Myogel improves the predictability of in vitro anticancer drug testing compared to the plastic and Matrigel. Next, we performed a high-throughput drug screen to identify synergistic combinations using a compound library (n=396) and irradiation using HNSCC cell lines cultured on Myogel. The Bcl-2/Bcl-xL inhibitor navitoclax, which emerged as the most promising radiosensitizer, exhibited a synergy with irradiation in 13 HNSCC cell lines. Additionally, the navitoclax–irradiation combination halted the cell cycle and increased the irradiation-induced apoptosis. Overall, we demonstrated that the navitoclax–irradiation combination resulted in strong synergistic antitumor effects in HNSCC cell lines, and thereby it might possess therapeutic potential for HNSCC patients. The third, we manufactured a fully human in vitro microfluidic chip assay to test immunotherapeutic agents for personalized medicine purposes for HNSCC patients. First, the assay was run using the oral tongue cancer cell line (HSC-3) embedded in a Myogel–fibrin mixture and immune cells, isolated from healthy blood samples. After successful testing, the chip was applied for freshly isolated patent cells. Immune checkpoint inhibitors, IDO1 inhibitor (NLG-919) and a PD-L1 antibody were applied to chips and the immune cell migration and cancer cell proliferation were measured over three days. We found that the immune cell migration was associated with cancer cell density. The IDO1 inhibitor increased the immune cell migration towards cancer cells in HSC-3 and in two patient samples. In the future, this assay could possibly be utilized to predict an individual patient’s immunotherapy response against HNSCC.Pään ja kaulan alueen syöpä on maailmanlaajuisesti kahdeksanneksi yleisin syöpätyyppi. Kehittyneistä hoidoista huolimatta, 5 vuoden eloonjäämisennuste on edelleen vain 50 %. Nykyisten prekliinisten syöpälääkekokeiden ennustearvo on alhainen. Solututkimukset tehdään tavallisesti muovialustalla tai käyttämällä kaupallisia eläinperäisiä väliaineita, kuten hiiriperäistä Matrigeeliä. Nämä menetelmät jäljittelevät kuitenkin heikosti ihmisyöpäsolujen kasvuympäristöä. Parantaaksemme solukokeiden ennustettavuutta, olemme kehittäneet ihmisen kohdun myoomasta valmistetun väliaineen Myogeelin. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää luotettavampia in vitro -menetelmiä tarjoamalla syöpäsoluille ominaisempi kasvuympäristö. Ensimmäiseksi tutkimme, voisiko Myogeelin käyttö parantaa lääkeseulonnan luotettavuutta muovialustaan tai Matrigeeliin verrattuna. Tutkimuksessa testattiin 19 täsmälääkkeen (EGFR:n, MEK:n ja PI3K / mTOR:n estäjien) tehoa kahdellatoista pään ja kaulan alueen syöpäsolulinjalla viidessä eri kasvuympäristössä; muovin päällä, Myogeelillä ja Matrigeelillä päällystetyillä levyillä ja geelien sisällä. Myogeelin päällä ja sisällä kasvatetut syöpäsolut reagoivat huomattavasti heikommin EGFR:n ja MEK:n estäjiin kuin Matrigeelissä tai muovin päällä kasvatetut solut. Lisäksi Myogeelissä tehdyt kokeet vastasivat muita koeolosuhteita paremmin kliinisiä EGFR:n estäjillä tehtyjä lääkekokeita. Tutkimustuloksien perusteella Myogel parantaa in vitro ‑syöpälääketestausten kliinistä ennustettavuutta. Seuraavaksi tutkimme suuritehoisella seulonnalla uusia säde- ja lääkehoitoyhdistelmiä. Tutkimuksessa käytettiin lääkekirjastoa (n = 396) ja sädehoitoa Myogeelissä viljellyille pään ja kaulan alueen syöpäsoluille. Tutkimuksessa osoitettiin lupaavimman lääkekandidaatin, Bcl-2/Bcl-xL estäjän, navitoklaksin ja sädehoidon yhdistelmällä olevan synerginen vaikutus kolmessatoista testatussa solulinjassa. Lisäksi yhdistelmä pysäytti syöpäsolujen jakautumisen ja aiheutti apoptoosia. Tutkimuksen perusteella navitoklaksi-sädehoitoyhdistelmällä saattaisi olla potentiaalia pään ja kaulan alueen syövän hoidossa. Kolmantena aiheena oli kehittää ihmisperäinen mikrofluidinen sirumääritys yksilöidyn immunoterapiavasteen testaukseen. Ensiksi siru testattiin käyttäen kielisyöpäsolulinjaa (HSC-3) ja terveiden verenluovuttajien immuunisoluja. Syöpäsolut kasvatettiin sirussa Myogeeli-fibriini-väliaineessa. Immuunijärjestelmän tarkastuspiste-estäjiä, IDO1-estäjää (NLG-919) ja PD-L1-vasta-ainetta lisättiin siruille, minkä jälkeen immuunisolujen liikkumista sekä syöpäsolujen jakautumista mitattiin kolmen päivän ajan. Seuraavaksi sirumäärityksen suoritettiin potilaista eristetyille syöpäsoluille ja veren immuunisoluille. Tutkimuksemme osoittivat syöpäsolujen määrän vaikuttavan immuunisolujen liikkumiseen. IDO1-estäjä lisäsi immuunisolujen liikkumista syöpäsoluja kohden kahdella potilasnäytteellä sekä HSC-3-soluilla. Määritystä voitaisiin mahdollisesti tulevaisuudessa käyttää apuna potilaan immunoterapiavasteen ennustamisessa.
Subject: suupatologia
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
tuomainen_katja_dissertation_2021.pdf 6.425Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record