Differentiation and malignant transformation of epithelial cells : 3D cell culture models

Abstract

The epithelial cells form barriers that compartmentalize the organs. Carcinomas are cancers stemming from epithelial cells and are the most common cancer type. The aim of this study was to understand the differentiation and malignant transformation of epithelial Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells and to analyse the electrophysiological parameters which regulate their transport capacity. Emphasis was placed on comparing different culture environments, both in 2D and 3D. First, the effects of drugs or basal extracellular fluid composition on MDCK cell, cyst and lumen volumes were analysed using time-lapse microscopy. The results showed that MDCK cells were capable of both water secretion and reabsorption. The cells were able to perform these functions in a hyperpolarizing or depolarizing environment; change in osmolality of basal fluid was not required. Taken together, these results validate MDCK cells as a good basic model for studying kidney function. Next, the aim was to analyse the effect of 2D and 3D culture environments on the gene expression of untransformed MDCK and temperature sensitive ts-Src -transformed MDCK cells and the changes a single oncogene can induce. Microarray analysis revealed a decrease in the expression of survivin, an inhibitor of apoptosis protein, when switching the untransformed cells from 2D environment to 3D. This downregulation of survivin occurs in adult tissues as well, indicating that the cells grown in 3D are closer to the in vivo state than 2D cells. Src oncogene induced disintegration of cell junctions, but did not downregulate E-cadherin expression. The last part was to study further the factors controlling survivin expression and its significance to cell survival. MDCK cells grown in 3D did not suffer apoptosis if the cells remained in contact with the extracellular matrix. If MDCK cells were denied of ECM contacts they were more susceptible to apoptosis than survivin-expressing ts-Src MDCK cells. Finally, if cells were denied of cell-cell junctions, cells lacking survivin suffered apoptosis even though they had proper cell-matrix contacts. Taken together, these results highlighted the importance of cellular contacts to the cells: MDCK cells needed ECM contacts to differentiate and cell-cell contacts to avoid apoptosis.

Tiivistelmä

Epiteelisolut ovat erikoistuneet toimimaan rajapintana elimen ja ympäristön välillä. Ihmisten yleisin syöpä on epiteelisoluista alkunsa saanut karsinooma. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli ymmärtää Madin-Darby-koiran munuaisen solujen (MDCK) erilaistumista ja pahanlaatuistumista sekä analysoida sähköfysiologisia tekijöitä, jotka säätelevät näiden solujen kuljetustoimintaa. Erityisenä kiinnostuksen kohteena oli erilaisten kasvuympäristöjen vertailu. Farmakologisten aineiden tai basaalisen, solunulkopuolisen nesteen koostumuksen vaikutusta MDCK-solujen, -kystan sekä luumenin kokoon tutkittiin valomikroskooppisten aikasarjojen avulla. Tulokset osoittivat MDCK-solujen olevan kykeneviä sekä veden eritykseen että absorptioon, niin hyperpolarisoivassa kuin depolarisoivassakin ympäristössä. Basaalisen nesteen osmolaliteetin muutosta ei tarvittu. Nämä tulokset osoittavat MDCK-solujen olevan hyvä munuaisen tutkimuksen perusmalli. Seuraavaksi analysoitiin kaksi- ja kolmiulotteisten (2D ja 3D) viljely-ympäristöjen vaikutusta ei-transformoitujen MDCK-solujen ja lämpötilaherkkien ts-Src-transformoitujen MDCK-solujen geenien ilmentymiseen sekä yhden onkogeenin aktivoimisen aikaansaamia muutoksia. Microarray-analyysi osoitti apoptoosin estäjän, surviviinin, ilmentymisen vähenemisen, kun kasvuympäristö vaihdettiin 2D-ympäristöstä 3D-ympäristöön. Koska surviviinin väheneminen on normaali tapahtuma aikuisissa kudoksissa, voitiin todeta, että 3D-ympäristössä kasvatetut solut ovat lähempänä luonnonmukaista olotilaa kuin 2D-ympäristössä kasvaneet. Src-onkogeeni sai aikaan soluliitosten hajoamisen, mutta ei vähentänyt E-kadheriinin ilmentymistä. Tutkimuksen viimeinen osa keskittyi surviviinin ilmentymistä säätelevien tekijöiden analysoimiseen ja surviviinin merkitykseen solujen eloonjäämiselle. 3D-ympäristössä kasvaneet MDCK-solut eivät kärsineet apoptoosista edellyttäen, että solut pysyivät kosketuksissa soluväliaineeseen. Jos solut irtautuivat soluväliaineesta, ne päätyivät herkemmin apoptoosiin kuin surviviinia ilmentävät ts-Src MDCK-solut. Mikäli solujen väliset liitokset pakotettiin avautumaan, solut joutuivat apoptoosiin, vaikka ne olivat kosketuksissa soluväliaineeseen. Yhteenvetona nämä tulokset korostavat solujen kontaktien merkitystä: MDCK-solut tarvitsevat soluväliainekontakteja erilaistumiseen ja solujen välisiä kontakteja välttyäkseen apoptoosilta.