Characterization of the mechanical properties of pancreatic, breast, and colon tumor models

Abstract

Den tette og stive ekstracellulære matriksen i kreftsvulster danner en fysisk barriere som hindrer tilførsel av medisiner og dermed hemmer kreftbehandling. I dette prosjektet har stivheten til tre tumormodeller fra mus blitt målt og sammenlignet med konsentrasjonen av to viktige bestanddeler av den ekstracellulære matriksen: sGAG og kollagen.

Mikroindentering av kreftsvulstene ga kraft-indenteringskurver som, ved å kurvetilpasse dem til Hookes lov og Hertz-modellen, ga verdier for fjærkonstanten og Youngs modulus. Hookes lov ble kurvetilpasset innenfor et lineært intervall på 100 $\mu$m, mens Hertz-modellen inkluderte data fra hele kraftkurven. Youngs modulus ble også beregnet basert på skjærbløgehastigheten som ble målt ved bruk av skjærbølgeelastografi. Innholdet av kollagen og sGAG ble målt ved bruk av ferdige assay-kit, og ga målinger av konsentrasjonen i $\mu$g kollagen eller sGAG per mg våtvekt av kreftsvulsten. Konsentrasjonen av sGAG ga en indikasjon på proteoglykaninnholdet i kreftsvulsten.

KPC hadde gjennomgående høyest verdi for stivhetsparametrene, mens CT26 hadde lavest. Stivhetsparametrene for 4T1 varierte avhengig av den eksperimentelle metoden; resultater fra indentering ga stivhetsparametre tilsvarende CT26, mens skjærbølgedataene antydet at Youngs modulus var tilsvarende KPC. Korrelasjonsanalyse av stivhetsparametre og konsentrasjon av kollagen og sGAG viste at kollagenkonsentrasjonen økte og sGAG-konsentrasjonen sank med økt svulststivhet. Med unntak av korrelasjonen mellom Youngs modulus fra indentering og sGAG-konsentrasjonen var ingen av trendene statistisk signifikante.

The dense and rigid extracellular matrix in malignant tumors creates a physical barrier that hinders the delivery of drugs, and thus compromises treatment efficacy. This project has measured the stiffness of three murine tumor models, and related the results to the concentrations of two important ECM constituents: sGAG and collagen.

Micro indentation of tumor sections provided force indentation depth curves, which could be used to estimate spring constants and Young's moduli by curve fitting to Hooke's law and Hertz model. Hooke's law was curve fitted within a 100 $\mu$m linear interval, while Hertz model included data from the entire force curve. Young's modulus was also calculated from the shear wave velocity acquired using shear wave elastography. The contents of collagen and sGAG were measured using pre-made assay kits, and provided measurements of the concentrations in $\mu$g collagen or sGAG per mg wet weight of the tumor. The concentrations of sGAG provide an indication of the proteoglycan contents in the tumor.

KPC consistantly had the highest stiffness parameters, while CT26 had the lowest. The stiffness parameters for 4T1 varied depending on experimental procedure; indentation data suggested similar stiffness parameters to CT26, and shear wave elastography indicated Young's modulus similar to KPC. Correlation analysis of stiffness parameters and concentrations of collagen and sGAG showed that the collagen concentration increased and sGAG concentration decreased with increasing tumor stiffness. However, except for the correlation between Young's modulus from indentation and sGAG concentration, none of the trends were statistically significant.