In response to changing environments that threaten their survival, cancer cells have an extraordinary ability to change their behaviour, shape and function. This trait, a key indicator of tumour progression and aggressiveness also known as cell plasticity, allows cancer cells to adapt to stress and keep growing.

Cell plasticity is fundamental for cancer’s ability to cheat death. For example, cells can switch to using old and damaged parts to keep functioning or activate cellular programs that freeze them in a state of senescence. Cells can also detach from a primary tumour and invade other tissues, contributing to metastasis, even with the body normally inducing cells to self-destruct in the absence of proper cell-to-cell interactions.

Despite playing a central role in cancer progression, there is no universal consensus on the definition of cell plasticity. Being able to quantify the impact of these mechanisms would be a huge boon for cancer research and treatment, paving the way for new tools that predict how aggressive a tumour is and at the same time, boost the development of more effective and personalized cancer therapies.

“When cancer cells attempt to relocate to a new part of the body to metastasise, they have to overcome a series of challenges. It’s like a decathlon at cellular scale, but instead of swimming, running or jumping, cancer cells have to physically squeeze through spaces, adapt to different chemical and physical environments or interact with new types of cells when changing locations in the body. If we could quantify the cellular ‘fitness’ in these events like in a scoring system used in sports, we could predict tumour aggressiveness and metastatic potential,” says ICREA Research Professor Verena Ruprecht, researcher at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

An international consortium led by Dr. Ruprecht aims to tackle this longstanding challenge by developing a new technology platform which can quantitatively assess tumour plasticity at the single cell level. Dubbed PLAST_CELL, the technology will mimic the physiological stresses that naturally occur in the human body and provide quantitative readouts on a cell’s shape, proliferation and survival and molecular features associated to its capacity to adapt to different environments.

“We will create a high-resolution live-imaging microscope which will be connected to a device that can mimic the stress that cancer cells face when proliferating and colonizing different organs, including the mechanical ‘squeezing’ of cells in dense tissues or during migration” explains Dr. Ruprecht.  “With this information, we can study cancer cells with known low or high metastatic potential. The images result in the creation of datasets that will feed AI tools and ultimately help predict the metastatic potential of cancer samples from patients.”

The live-imaging microscope will be used to set quantitative standards to identify genetic, molecular, and biophysical mechanisms underlying cancer cell plasticity and tumour aggressiveness. The consortium believes the platform will give rise to ‘Plastomics’, an entirely new field in biology which can provide a new perspective in cancer analysis, diagnosis and – in the future – treatments. The researchers anticipate that pharmaceutical drug discoveries targeting metastatic potential and resistances will emerge based on PLAST_CELL within a ten-year period. The platform also aims to be adopted in the clinic as a new and powerful diagnostic tool to assess tumour aggressiveness.

The PLAST_CELL team

The project is coordinated by ICREA Research Professor Verena Ruprecht, Group Leader at the Centre for Genomic Regulation, and funded with 3 million euros from the European Innovation Council, a new body introduced by the European Commission to support the commercialization of high-risk, high-impact technologies in the European Union.

Dr. Ruprecht’s team’s expertise is in cell and tissue dynamics and the interrelation between micro-environmental factors and cell function. Her lab combines the study of cellular morphodynamics in the live embryo with biomimetic in vitro assays to identify control mechanisms of single and collective cellular behaviour, essential for the development of the platform for the assessment of cell plasticity.

Dr. Antoni Celià-Terrassa (Hospital Del Mar Medical Research Institute - IMIM) is an expert in cancer metastasis, cancer stem cells and tumour immunology. He pioneered studies on cellular plasticity during metastasis, bridging basic and translational research with innovation towards the clinic in collaboration with industry. He will work with a multidisciplinary team of biologists, oncologists and pathologists at Hospital del Mar, and critically contribute to the characterization of metastatic cells and tumour aggressiveness.

Dr. Pablo Loza Alvarez and Dr. Jordi Andilla (the Institute of Photonic Sciences - ICFO) are experts in advanced bioimaging using Super Resolution microscopy, structured illumination microscopy (SIM) and single molecule localization microscopy (SMLM) to understand molecular mechanisms of cell migration and polarization. Their lab develops sophisticated data analysis tools and will be responsible for the quantitative live cell imaging and super-resolution microscopy.

Dr. Virginie Uhlmann (EMBL-EBI) has interdisciplinary expertise in applied mathematics, image processing, and computer science. She develops automated microscopy image quantification algorithms blending mathematical models and machine learning, with a focus on computational morphometry, an essential expertise for the development of a predictive model of tumour aggressiveness based on cell plasticity.

The consortium is complemented by a team of engineers, physicists and biologists lead by the Chief Technology Officer, Dr. Antoni Homs-Corbera, at Cherry Biotech (CHB), a French SME, with a strong R&D background, focusing on ultra-fast microfluidic temperature control, microfluidic live cell perfusion systems, microscopy, and control of environmental parameters in live cell imaging, contributing to platform development and exploitation activities.

This project has received funding from the European Union’s HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN programme under grant agreement No 101046620. You can find more info about the project at https://plastcell.eu/ 

EN CASTELLANO

Un ‘decatlón’ de células cancerosas para ayudar predecir la agresividad tumoral y la metástasis

En respuesta a los entornos celulares que amenazan su supervivencia, el cáncer tiene una capacidad extraordinaria para cambiar su comportamiento, forma y función. Este rasgo, también conocido como la plasticidad celular, es un indicador clave de la evolución y agresividad de un tumor, y permite que las células cancerosas sean adaptables al estrés y sigan creciendo.

La plasticidad celular es fundamental para que el cáncer pueda engañar a la muerte. Por ejemplo, las células pueden usar partes viejas y dañadas para seguir funcionando o activar programas celulares que las pasan a un estado de senescencia. Las células también pueden desprenderse de un tumor primario e invadir otros tejidos, contribuyendo a la metástasis, incluso cuando el cuerpo normalmente ordene a las células a autodestruirse en la ausencia de interacciones adecuadas de célula a célula.

No existe un consenso universal sobre la definición de la plasticidad celular, aunque desempeñe un papel central en la progresión del cáncer. Poder cuantificar el impacto de estos mecanismos sería una gran ayuda para la investigación y el tratamiento del cáncer, allanando el camino para nuevas herramientas que predigan la agresividad de un tumor y, al mismo tiempo, impulsen el desarrollo de terapias contra el cáncer más efectivas y personalizadas.

“Cuando las células cancerosas intentan trasladarse a una nueva parte del cuerpo para hacer metástasis, tienen que superar una serie de retos. Es como un decatlón a escala celular, pero en lugar de nadar, correr o saltar, las células cancerosas tienen que escurrirse físicamente a través de espacios, adaptarse a diferentes entornos químicos y físicos o interactuar con nuevos tipos de células cuando cambian de ubicación en el cuerpo. Si pudiéramos cuantificar la 'aptitud celular’ en estos eventos como en un sistema de puntuación utilizado en los deportes, podríamos predecir la agresividad tumoral y el potencial metastásico”, afirma la profesora de investigación ICREA Verena Ruprecht, investigadora del Centro de Regulación Genómica (CRG), en Barcelona.

Un consorcio internacional dirigido por la Dra. Ruprecht tiene como objetivo abordar este reto mediante el desarrollo de una nueva plataforma tecnológica que pueda evaluar cuantitativamente la plasticidad tumoral a nivel de una sola célula. Apodada PLAST_CELL, la tecnología imitará el estrés fisiológico que se produce naturalmente en el cuerpo humano y proporcionará lecturas cuantitativas sobre la forma, proliferación y supervivencia de una célula y las características moleculares asociadas a su capacidad para adaptarse a diferentes entornos.

"Crearemos un microscopio de imágenes en vivo de alta resolución que se conectará a un dispositivo que puede imitar el estrés a que se enfrentan las células cancerosas cuando proliferan y colonizan diferentes órganos, incluido el 'estrujón' mecánico de las células en tejidos densos o durante la migración,” explica la Dra. Ruprecht. “Con esta información, podemos estudiar las células cancerosas con un potencial metastásico bajo o alto conocido. Las imágenes dan como resultado la creación de conjuntos de datos que alimentarán herramientas de inteligencia artificial y, en última instancia, ayudarán a predecir el potencial metastásico de las muestras de cáncer de los pacientes.”

El microscopio de imágenes en vivo se utilizará para establecer estándares cuantitativos para identificar los mecanismos genéticos, moleculares y biofísicos que subyacen a la plasticidad de las células cancerosas y la agresividad del tumor. El consorcio cree que la plataforma dará lugar a la 'Plastómica', un campo completamente nuevo en biología que puede proporcionar una nueva perspectiva en el análisis, diagnóstico y, en el futuro, tratamientos del cáncer. El equipo científico anticipa que los descubrimientos de fármacos dirigidos al potencial metastásico y las resistencias surgirán en base a PLAST_CELL dentro de un período de diez años. La plataforma también pretende que se adopte en entornos clínicos como una nueva y poderosa herramienta de diagnóstico para evaluar la agresividad del tumor.

El equipo PLAST_CELL

El proyecto está coordinado por la profesora de investigación ICREA Verena Ruprecht, jefa de grupo en el Centro de Regulación Genómica, y cuenta con una financiación de 3 millones de euros del Consejo Europeo de Innovación, un nuevo organismo incorporado por la Comisión Europea para apoyar la comercialización de tecnologías de alto riesgo y alto impacto en la Unión Europea.

La experiencia del equipo de la Dra. Ruprecht se centra en la dinámica de células y tejidos y la interrelación entre los factores microambientales y la función celular. Su laboratorio combina el estudio de la morfodinámica celular en el embrión vivo con ensayos biomiméticos in vitro para identificar mecanismos de control del comportamiento celular individual y colectivo, esenciales para el desarrollo de la plataforma para la evaluación de la plasticidad celular.

El Dr. Antoni Celià-Terrassa (Instituto Hospital del Mar de Investigaciones Médicas - IMIM) es experto en metástasis del cáncer, células madre cancerosas e inmunología tumoral. Fue pionero en los estudios sobre plasticidad celular durante la metástasis, uniendo la investigación básica y translacional con la innovación hacia el entorno clínico en colaboración con la industria. Trabajará con un equipo multidisciplinar de biólogos, oncólogos y patólogos en el Hospital del Mar y contribuirá de manera crítica a la caracterización de las células metastásicas y la agresividad tumoral.

El Dr. Pablo Loza Alvarez y el Dr. Jordi Andilla (Instituto de Ciencias Fotónicas - ICFO) son expertos en imágenes biológicas avanzadas utilizando microscopía de súper resolución, microscopía de iluminación estructurada (SIM) y microscopía de localización de molécula única (SMLM) para comprender los mecanismos moleculares de la migración celular y la polarización. Sus laboratorios desarrollan herramientas sofisticadas de análisis de datos y serán responsables de la obtención de imágenes cuantitativas de células vivas y la microscopía de superresolución.

La Dra. Virginie Uhlmann (EMBL-EBI) tiene experiencia interdisciplinar en matemáticas aplicadas, el procesamiento de imágenes e informática. Desarrolla algoritmos automatizados de cuantificación de imágenes de microscopía que combinan modelos matemáticos y aprendizaje automático, con un enfoque en la morfometría computacional, una experiencia esencial para el desarrollo de un modelo predictivo de la agresividad tumoral basado en la plasticidad celular.

El consorcio se complementa con un equipo de ingenieros, físicos y biólogos liderado por el Dr. Antoni Homs-Corbera, director de Tecnología de Cherry Biotech (CHB), una pyme francesa con una sólida experiencia en I+D, centrada en microfluidos ultrarrápidos, control de temperatura, sistemas de perfusión de células vivas microfluídicas, microscopía y control de parámetros ambientales en imágenes de células vivas, contribuyendo al desarrollo de plataformas y actividades de explotación.

Este proyecto ha recibido financiación del programa HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n.º 101046620. Puede encontrar más información sobre el proyecto en https://plastcell.eu/

EN CATALÀ

Un 'decatló' de cèl·lules canceroses per ajudar a predir l'agressivitat tumoral i la metàstasi

En resposta als entorns cel·lulars que amenacen la seva supervivència, el càncer té una capacitat extraordinària per canviar-ne el comportament, la forma i la funció. Aquest tret, també conegut com a plasticitat cel·lular, és un indicador clau de l'evolució i l'agressivitat d'un tumor, i permet que les cèl·lules canceroses siguin adaptables a l'estrès i continuïn creixent.

La plasticitat cel·lular és fonamental perquè el càncer pugui enganyar la mort. Per exemple, les cèl·lules poden utilitzar parts velles i danyades per continuar funcionant o activar programes cel·lulars que les passen a un estat de senescència. Les cèl·lules també es poden desprendre d'un tumor primari i envair d’altres teixits, contribuint a la metàstasi, fins i tot quan el cos normalment ordeni a les cèl·lules que s’autodestrueixin en absència d'interaccions adequades de cèl·lula a cèl·lula.

No hi ha un consens universal sobre la definició de la plasticitat cel·lular, encara que tingui un paper central en la progressió del càncer. Poder quantificar l'impacte d'aquests mecanismes seria una gran ajuda per a la investigació i el tractament del càncer, aplanant el camí per a eines noves que prediguin l'agressivitat d'un tumor i, alhora, impulsin el desenvolupament de teràpies contra el càncer més efectives i personalitzades.

“Quan les cèl·lules canceroses intenten traslladar-se a una nova part del cos per fer metàstasi, han de superar una sèrie de reptes. És com un decatló a escala cel·lular, però en lloc de nedar, córrer o saltar, les cèl·lules canceroses s'han d'escórrer físicament a través d'espais, adaptar-se a diferents entorns químics i físics o interactuar amb nous tipus de cèl·lules quan canvien d'ubicació al cos. Si poguéssim quantificar l''aptitud cel·lular' en aquests episodis com en un sistema de puntuació utilitzat en els esports, podríem predir l'agressivitat tumoral i el potencial metastàtic”, afirma la professora d’investigació ICREA Verena Ruprecht, investigadora del Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona.

Un consorci internacional dirigit per la Dra. Ruprecht té com a objectiu abordar aquest repte mitjançant el desenvolupament d'una nova plataforma tecnològica que pugui avaluar quantitativament la plasticitat tumoral a nivell d'una sola cèl·lula. Anomenada PLAST_CELL, la tecnologia imitarà l'estrès fisiològic que es produeix naturalment al cos humà i proporcionarà lectures quantitatives sobre la forma, la proliferació i la supervivència d'una cèl·lula i les característiques moleculars associades a la seva capacitat per adaptar-se a diferents entorns.

"Crearem un microscopi d'imatges en viu d'alta resolució que es connectarà a un dispositiu que pot imitar l'estrès a què s'enfronten les cèl·lules canceroses quan proliferen i colonitzen diferents òrgans, inclosa la pressió mecànica de les cèl·lules en teixits densos o durant la migració," explica la Dra. Ruprecht. "Amb aquesta informació, podem estudiar les cèl·lules canceroses amb un potencial metastàtic baix o alt conegut. Les imatges donen com a resultat la creació de conjunts de dades que alimentaran eines d'intel·ligència artificial i, en última instància, ajudaran a predir el potencial metastàtic de les mostres de càncer dels pacients.”

El microscopi d'imatges en viu s'utilitzarà per establir estàndards quantitatius per identificar els mecanismes genètics, moleculars i biofísics subjacents a la plasticitat de les cèl·lules canceroses i l'agressivitat del tumor. El consorci creu que la plataforma donarà lloc a la 'Plastòmica', un camp completament nou en biologia que pot proporcionar una nova perspectiva en l'anàlisi, el diagnòstic i, en el futur, tractaments del càncer. L'equip científic anticipa que els descobriments de fàrmacs adreçats al potencial metastàtic i les resistències sorgiran sobre la base de PLAST_CELL d'aquí a un període de deu anys. La plataforma també pretén que s'adopti en entorns clínics com a nova i poderosa eina de diagnòstic per avaluar l'agressivitat del tumor.

L'equip PLAST_CELL

El projecte està coordinat per la professora d’investigació ICREA Verena Ruprecht, cap de grup al Centre de Regulació Genòmica, i compta amb un finançament de 3 milions d'euros del Consell Europeu d'Innovació, un nou organisme incorporat per la Comissió Europea per donar suport a la comercialització de tecnologies d'alt risc i alt impacte a la Unió Europea.

L'experiència de l'equip de la Dra. Ruprecht se centra en la dinàmica de cèl·lules i teixits i la interrelació entre els factors microambientals i la funció cel·lular. El seu laboratori combina l'estudi de la morfodinàmica cel·lular a l'embrió viu amb assajos biomimètics in vitro per identificar mecanismes de control del comportament cel·lular individual i col·lectiu, essencials per al desenvolupament de la plataforma per a l'avaluació de la plasticitat cel·lular.

El Dr. Antoni Celià-Terrassa (Institut Hospital del Mar d'Investigacions Mèdiques - IMIM) és expert en metàstasi del càncer, cèl·lules mare canceroses i immunologia tumoral. Va ser pioner en els estudis sobre plasticitat cel·lular durant la metàstasi, unint la recerca bàsica i translacional amb la innovació cap a l'entorn clínic en col·laboració amb la indústria. Treballarà amb un equip multidisciplinari de biòlegs, oncòlegs i patòlegs a l'Hospital del Mar i contribuirà de manera crítica a la caracterització de les cèl·lules metastàtiques i l'agressivitat tumoral.

El Dr. Pablo Loza Álvarez i el Dr. Jordi Andilla (Institut de Ciències Fotòniques - ICFO) són experts en imatges biològiques avançades utilitzant microscòpia de súperresolució, microscòpia d'il·luminació estructurada (SIM) i microscòpia de localització de molècula única (SMLM) per comprendre els mecanismes moleculars de la migració cel·lular i la polarització. Els laboratoris desenvolupen eines sofisticades d'anàlisi de dades i seran responsables de l'obtenció d'imatges quantitatives de cèl·lules vives i la microscòpia de superresolució.

La Dra. Virginie Uhlmann (EMBL-EBI) té experiència interdisciplinària en matemàtiques aplicades, el processament d'imatges i informàtica. Desenvolupa algoritmes automatitzats de quantificació d'imatges de microscòpia que combinen models matemàtics i aprenentatge automàtic, amb un enfocament a la morfometria computacional, una experiència essencial per al desenvolupament d'un model predictiu de l'agressivitat tumoral basat en la plasticitat cel·lular.

El consorci es complementa amb un equip d'enginyers, físics i biòlegs liderat pel Dr. Antoni Homs-Corbera, director de Tecnologia de Cherry Biotech (CHB), una PIME francesa amb una sòlida experiència en R+D, centrada en microfluids ultraràpids, control de temperatura, sistemes de perfusió de cèl·lules vives microfluídiques, microscòpia i control de paràmetres ambientals en imatges de cèl·lules vives, contribuint al desenvolupament de plataformes i activitats d’explotació.

Aquest projecte ha rebut finançament del programa HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN de la Unió Europea en virtut de l'acord de subvenció núm. 101046620. Podeu trobar més informació sobre el projecte a https://plastcell.eu/