Measuring mechanical properties of extracellular matrix altered by fibroblasts

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-08-22
Department
Major/Subject
Biomedical Engineering
Mcode
SCI3059
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
50 + 1
Series
Abstract
Breast cancer is one of the most common cancer types. In 2020, it caused 685 000 deaths globally. A better understanding of the cancer is clearly needed. Recently the tumor microenvironment has become of interest in addition to tumor cells. It has been shown that the extracellular matrix (ECM) surrounding the tumor cells has a major impact on cancer progression. The mechanical properties of the ECM affect the migration rate of cancer cells. Fibroblasts play a key role in this process. In this work we modeled the ECM \textit{in vitro} with 3D cell cultures where mouse NIH3T3 fibroblasts were embedded in a collagen matrix. Mechanical properties inside these 3D cultures with stiffness relevant for breast cancer or lower can be measured at cell scale with a microrheometer using magnetic microprobes and a microscope add on. Cell scale is relevant since ECM exhibits heterogeneous viscoelastic properties which have not been studied properly at the microscale before. Our method provides an updated overview of the mechanical landscape of the tumor model. To get a more realistic tumor model, the mechanical properties of the fibroblasts inclusive collagen matrix were optimized to match the mechanical properties of the ECM in different stages of cancer. We measured 5 different conditions with varying amounts of repetitions in order to identify relevant cell and collagen concentrations that result in desired mechanical properties. We started with a low collagen concentration and increased it as the experiments proceeded. We did not reach stiffness values typical for breast cancer \textit{in vivo} but we got a lot of data on how collagen matrix behaves with varying cell and collagen concentrations and incubation times. Our results show that fibroblasts affect the mechanics of the collagen matrix. The cell concentrations used mainly decreased the absolute shear modulus and decreased viscosity in relation to elasticity. Collagen contraction seemed to be visible in some samples but so barely that it raised a question of whether the higher stiffness was just a coincidence.

Viime vuosina on osoitettu, että syöpäsolujen lisäksi niitä ympäröivällä solunulkoisella nesteellä on merkittävä vaikutus syövän etenemiseen. Solunulkoisen nesteen mekaanisien ominaisuuksien on todettu vaikuttavan syöpäsolujen vaellusfrekvenssiin. Fibroblastit vaikuttavat huomattavasti tähän syöpäsolujen ominaisuuteen. Mallinsimme tässä työssä solunulkoista nestettä kollageenimatriisilla, johon oli sekoitettu hiiren NIH3T3 fibroblasteja. Mittasimme mekaanisia ominaisuuksia solumittakaavassa mikromanipulaattorilla. Tämä on perusteltua, sillä solunulkoisella nesteellä on heterogeenisiä viskoelastisia ominaisuuksia. 3D kultuurin sisällä olevia mekaanisia ominaisuuksia, joilla on rintasyövälle tyypillinen tai sitä alempi jäykkyys voidaan mitata magneettisilla mikropartikkeleilla ja mikroskooppiin kiinnitettävällä lisäosalla. Tämä antaa uudenlaisen kuvan kasvainmallin mekaanisista ominaisuuksista ja niiden jakautumisesta mallin sisällä. Työn tavoitteena oli tuottaa realistisempi malli kasvaimesta optimoimalla kollageenimatriisin mekaaniset ominaisuudet yhdessä fibroblastien kanssa vastaamaan solunulkoisen nesteen mekaanisia ominaisuuksia eri syövän vaiheissa. Valmistimme viisi erilaista näytettä eri konsentraatioilla vaihtuvalla määrällä toistoja löytääksemme relevantit konsentraatiot soluille ja kollageenille, jotka tuottaisivat halutut mekaaniset ominaisuudet. Aloitimme alhaisella kollageenikonsentraatiolla, kasvattaen konsentraatiota kokeiden edetessä. Emme saavuttaneet rintakasvaimelle tyypillisiä jäykkyysarvoja mutta saimme paljon aineistoa siitä, kuinka kollageenimatriisi käyttäytyy vaihtuvalla solu- ja kollageenikonsentraatiolla ja eri inkubointiaikojen jälkeen. Tuloksemme osoittavat, että fibroblastit vaikuttavat kollageenimatriisin mekaanisiin ominaisuuksiin. Käytetyt solukonsentraatiot pääasiassa laskivat absoluuttista liukumoduulia ja alensivat viskoottisuutta suhteessa elastisuuteen. Kollageenikontraktio vaikutti olleen nahtävissä osassa näytteitä mutta hajonta niissä tuloksissa herätti epäilyksen, oliko korkeampi jäykkyys vain sattumaa.
Description
Supervisor
Kuzyk, Anton
Thesis advisor
Kielosto, Mari
Pokki, Juho
Keywords
extracellular Mamrix, breast cancer, mechanical properties, microrheometer, fibroblasts, collagen matrix
Other note
Citation