In recent years, nanoparticles (NPs) have increasingly found practical applications in technology, research and medicine. The small particle size coupled to their unique chemical and physical properties is thought to underlie their exploitable biomedical activities. Here, we review current toxicity studies of NPs with clinical potential. Mechanisms of cytotoxicity are discussed and the problem of extrapolating knowledge gained from cell-based studies into a human scenario is highlighted. The so-called 'proof-of-principle' approach, whereby ultra-high NP concentrations are used to ensure cytotoxicity, is evaluated on the basis of two considerations; firstly, from a scientific perspective, the concentrations used are in no way related to the actual doses required which, in many instances, discourages further vital investigations. Secondly, these inaccurate results cast doubt on the science of nanomedicine and thus, quite dangerously, encourage unnecessary alarm in the public. In this context, the discrepancies between in vitro and in vivo results are described along with the need for a unifying protocol for reliable and realistic toxicity reports.

The alpha 6/beta 4 complex is a member of the integrin family of adhesion receptors. It is found on a variety of epithelial cell types, but is most strongly expressed on stratified squamous epithelia. Fluorescent antibody staining of human epidermis suggests that the beta 4 subunit is strongly localized to the basal region showing a similar distribution to that of the 230-kD bullous pemphigoid antigen. The alpha 6 subunit is also strongly localized to the basal region but in addition is present over the entire surfaces of basal cells and some cells in the immediate suprabasal region. By contrast staining for beta 1, alpha 2, and alpha 3 subunits was very weak basally, but strong on all other surfaces of basal epidermal cells. These results suggest that different integrin complexes play differing roles in cell-cell and cell-matrix adhesion in the epidermis. Immunoelectron microscopy showed that the alpha 6/beta 4 complex at the basal epidermal surface is strongly localized to hemidesmosomes. This result provides the first well-characterized monoclonal antibody markers for hemidesmosomes and suggests that the alpha 6/beta 4 complex plays a major role in epidermal cell-basement membrane adhesion. We suggest that the cytoplasmic domains of these transmembrane glycoproteins may contribute to the structure of hemidesmosomal plaques. Immunoultrastructural localization of the BP antigen suggests that it may be involved in bridging between hemidesmosomal plaques and keratin intermediate filaments of the cytoskeleton.

3D in vitro models have been used in cancer research as a compromise between 2-dimensional cultures of isolated cancer cells and the manufactured complexity of xenografts of human cancers in immunocompromised animal hosts. 3D models can be tailored to be biomimetic and accurately recapitulate the native in vivo scenario in which they are found. These 3D in vitro models provide an important alternative to both complex in vivo whole organism approaches, and 2D culture with its spatial limitations. Approaches to create more biomimetic 3D models of cancer include, but are not limited to, (i) providing the appropriate matrix components in a 3D configuration found in vivo, (ii) co-culturing cancer cells, endothelial cells and other associated cells in a spatially relevant manner, (iii) monitoring and controlling hypoxia- to mimic levels found in native tumours and (iv) monitoring the release of angiogenic factors by cancer cells in response to hypoxia. This article aims to overview current 3D in vitro models of cancer and review strategies employed by researchers to tackle these aspects with special reference to recent promising developments, as well as the current limitations of 2D cultures and in vivo models. 3D in vitro models provide an important alternative to both complex in vivo whole organism approaches, and 2D culture with its spatial limitations. Here we review current strategies in the field of modelling cancer, with special reference to advances in complex 3D in vitro models.

Abstract Cell line experiments arguably remain the most used tool in preclinical cancer research, despite their limitations. With almost 95% drugs entering human trials failing, and up to 90% preclinical research failing before even being tested in humans, we must shift the pre-clinical paradigm. A range of in silico, in vitro, in vivo and ex vivo approaches are gaining popularity, with the aim of potentially replacing cell line use. However, we cannot ignore the plethora of historical data from cell lines, nor write off their future use– especially within advanced bioengineered models. Therefore, we must question if and how cell lines hold clinical relevance. This study evaluates the clinical characteristics of 46 prostate cancer cell lines against worldwide data and investigates the biological features of seven cell lines in depth, comparing them to over 10,000 well characterised human cases from 24 studies in nine countries. Clinical features compared included age, ethnicity, Gleason grade, cancer type, treatment history and multiomics variables included mutations, copy number alterations, structural variants, microsatellite instability, mRNA and protein expression, and tumour mutational burden. We found that the most used cell lines accurately represent a minute proportion of prostate cancer patients. Furthermore, we recommend a pipeline for tailoring selection of clinically relevant cell lines with the ultimate aim of increasing the scientific methodology behind choosing a cell line.

Objective: Cancer associated fibroblasts (CAFs) are highly differentiated and heterogenous cancer stromal cells that promote tumour growth, angiogenesis and matrix remodelling. Design: We utilised a novel 3D in vitro model of colorectal cancer, composed of a cancer mass and surrounding stromal compartment. We compared cancer invasion with an acellular stromal surround, a healthy or normal cellular stroma and a cancerous stroma. For the cancerous stroma we incorporated six patient-derived CAF samples to study their differential effects on cancer growth, vascular network formation, and remodelling. Results: CAFs enhanced the distance and surface area of the invasive cancer mass whilst inhibiting vascular-like network formation. These processes were driven by the upregulation of hepatocyte growth factor (HFG), metallopeptidase inhibitor 1 (TIMP1) and fibulin 5 (FBLN5). Remodelling appeared to occur through the process of disruption of complex networks and was associated with the up upregulation of vascular endothelial growth factor (VEGFA) and down-regulation in vascular endothelial cadherin (VE-Cadherin). Conclusion: These results support, within a biomimetic 3D, in vitro framework, the direct role of CAFs in promoting cancer invasion and that CAFs are also key components in driving vasculogenesis and angiogenesis.

High-grade serous ovarian cancer (HG-SOC), accounting for 70-80% of ovarian cancer deaths, is characterized by a widespread and rapid metastatic nature, influenced by diverse cell types, cell-cell interactions, and acellular components of the tumor microenvironment (TME). Within this tumor type, autocrine and paracrine activation of the endothelin-1 receptors (ET-1R), expressed in tumor cells and stromal components, drives metastatic progression. The lack of three-dimensional models that faithfully recapitulate the unique HG-SOC TME has been the bottleneck in performing drug screening for personalized medicine. Herein, we developed HG-SOC tumoroids by engineering a dense central artificial cancer mass (ACM) containing HG-SOC cells, nested within a compressed hydrogel recapitulating the stromal compartment comprising type I collagen, laminin, fibronectin, and stromal cells (fibroblasts and endothelial cells). ET-1-stimulated HG-SOC cells in the tumoroids showed an altered migration pattern and formed cellular aggregates, mimicking micrometastases that invaded the stroma. Compared to control cells, ET-1-stimulated tumoroids showed a higher number of invasive bodies, which were reduced by treatment with the dual ET-1 receptor (ET-1R) antagonist macitentan. In addition, ET-1 increased the size of the invading aggregates compared to control cells. This study establishes an experimental 3D multicellular model eligible for mechanical research, investigating the impact of matrix stiffness and TME interactions, which will aid drug screening to guide therapeutic decisions in HG-SOC patients.