The phenotypic effect of endothelial cells on pancreatic cancer spheroids

Abstract

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a life-threatening disease with a high mortality rate. It is usually diagnosed late when the disease has progressed. There are not many treatment options available, the only curative treatment is surgical resection, but a low percentage of patients have that as an option. The culture of organoids from primary tissue and using the cells for drug screening for personalized treatment is a fast-evolving concept that could revolutionize cancer treatment. However, it is challenging to culture cells from primary tissue in vitro because the tissue is often from needle biopsies, therefore, the number of available cells is limited. Many patients have also had neo-adjuvant treatment, which can affect the cell’s health. Previously, endothelial cells have been shown to support the growth of pancreatic cancer cells in 3D co-culture. The aim of the project was to demonstrate if the endothelial cells changed the phenotype of the pancreatic cancer cells to assess how the model could be used in a clinical and research based setting. To do that, the pancreatic cancer cell lines, Capan-1 and MiaPaca2, were cultured in 2D and in 3D as spheroids in monoculture and in co-culture with endothelial cells. RNA was isolated from all culture conditions and sequenced and the results used to see how the endothelial cells affected the phenotype of the pancreatic cancer spheroids. The results show that MiaPaca2 and Capan-1 spheroids could be passaged over time in 3D culture, and that the endothelial cells supported the expansion of the spheroids in each passage. To understand the effect of endothelial cells on the transcriptional profile of pancreatic cancer cells, RNA sequencing was performed and PCA, GSEA, and Volcano plots were used to evaluate the difference between the different culture conditions. The results showed that the biggest difference was between the two different cell lines, Capan-1 and MiaPaca2, as they have distinct phenotypes. When mono- and co-culture was compared, it did not show much difference between the culture conditions. For Capan-1, there was no pathway significantly differentially expressed when monoculture was compared to co-culture. In addition a Volcano plot showed only a few genes that were significantly differentially expressed between the mono- and co-culture. When MiaPaca2 was compared in mono- and co-culture, a small difference was seen between the two culture conditions, where a few different pathways that were significantly differentially expressed. Again as with Capan-1 a Volcano plot showed only a few genes significantly differentially expressed, like with Capan-1. It also showed more difference between the 2D and 3D cultures indicating that the environment affects the phenotype more than the endothelial cells. The results showed that the co-culture did not have a large effect on the phenotype of the pancreatic cancer spheroid, indicating that the model could be a good tool for supporting the expansion of the cell culture and shortening the culture time. This could, therefore, hopefully be used in the future for supporting the growth of culturing organoids from primary tissue for drug screening purposes and for using the model for personalized treatment.

Briskirtilskrabbamein er lífshættulegur sjúkdómur með háa dánartíðni. Sjúkdómurinn greinist yfirleitt seint þar sem hann er oft langt gengin. Meðferðar möguleikarnir eru ekki margir, eina meðferðin sem getur læknað sjúkdóminn er ef meinið er skorið í burtu, en mjög lág prósenta af sjúklingum hafa þann möguleika. Ný aðferðir sem snýr að því að nýta frumæxlisvef þar sem þar sem frumurnar úr æxlinu eru ræktaðar í þrívíðu umhverfi sem organoidar býður upp á nýja nálgun í meðferðarákvörðunum krabbameina. Vonin er að geta notað þessar frumur til þess að framkvæma lyfjanæmispróf fyrir persónumiðaða meðferð og einnig til að finna ný lyf sem gætu verið notuð gegn krabbameininu. Hins vegar er mjög erfitt að rækta slíkar frumur vegna þess að oft eru tekin nálarsýni úr æxlinu þar sem frumumagn er ekki mikið. Einnig hafa margir sjúklingar fengið einhverja meðferð áður en vefurinn er tekinn sem getur valdið því að erfiðara er að rækta frumurnar.Það hefur áður verið sýnt fram á að æðaþelsfrumur ýti undir vöxt briskrabbameinsfrumna þegar þær eru í samrækt. Markmiðið með þessu verkefni var að athuga hvort að æðaþelsfrumurnar breyti svipgerð briskrabbameinsfrumnanna til þess að vita hvernig hægt er að nota módelið við frekari rannsóknir og í klínískum ákvörðunum. Briskrabbameinsfrumulínurnar Capan-1 og MiaPaca2 voru ræktaðar í tvívíðri og í þrívíðri rækt sem spheroidar í samrækt með æðaþelsfrumum. RNA var einangrað úr öllum ræktunarfromum og það raðgreint og niðurstöðurnar notaðar til þess að athuga hvaða áhrif æðaþelsfrumurnar hafa á svipgerð briskrabbameinsfrumna. Niðurstöðurnar sýna að það sé hægt að passera Capan-1 og MiaPaca2 spheroidum í þrívíðri rækt yfir lengri tíma og að æðaþelsfrumurnar styðji við vöxt þeirra eftir hverja passeringu. Til að skilja þau áhrif sem æðaþelsfrumurnar geta haft á umritun briskrabbameinsfrumnanna var RNA-ið raðgreint og PCA, GSEA og Volcano plott voru notuð til þess að sjá muninn milli mismunandi ræktunarforma. Samvkæmt niðurstöðunum var mesti munurinn á milli frumulínanna tveggja, Capan-1 og MiaPaca2 en þær hafa mjög ólíka svipgerð. Þegar 3D rækirnar með og án æðaþels voru bornar saman þá sást ekki mikill munur á svipgerðinni. Þegar Capan-1 var skoðað með og án æðaþels sáust engar boðleiðir sem voru marktækt mismunandi tjáðar og Volcano plottið sýndi mjög fá gen sem voru marktækt meira tjáð í öðru hvoru forminu. Það sást aðeins meiri munur á svipgerðinni þegar MiaPaca2 ræktað með og án æðaþels var borið saman, nokkrar boðleiðir voru marktækt meira tjáðar þegar MiaPaca2 var í samrækt með æðaþeli, en volcano plottið sýndi fá gen sem voru marktækt meira tjáð í öðru hvoru forminu, eins og sást fyrir Capan-1. Það sást einnig meiri munur á svipgerðinni milli tví- og þrívíðra rækta sem gefur til kynna að umhverfið hafi mögulega meiri áhrif á svipgerðina heldur en æðaþelsfrumurnar. Niðurstöðurnar sýndu að samrækt með æðaþeli hafði ekki mikil áhrif á svipgerð briskrbbameinsfrumnanna sem gefur til kynna að þetta módel geti verið gott tól til þess að hjálpa til við vöxt briskrbbameinsfrumna ásamt því að stytta ræktunartima frumnanna. Þetta módel gæti þar af leiðandi vonandi verið notað í framtíðinni til þess að ýta undir vöxt á organoidum frá frumæxlisvef til þess að skima fyrir næmi lyfja og að geta gert meðferðina meira persónumiðaða fyrir hvern og einn sjúkling.