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Spheroid maturation determines drug response and establishes a mechanism-informed framework for analytical endpoint validation in three-dimensional lung cancer models - 07/11/26

Doi : 10.1016/j.biopha.2026.119952 
Jéssica Eduarda dos Santos Batista a, b, 1, Valquíria Silva a, b, 1, Fabiano Barbosa Carvalho c, Bruna Klein Brun a, b, Eduarda Silvestrin a, b, Giuliano Rizzotto Guimarães c, Adriana Maria Zago c, d, Marilda da Cruz Fernandes c, Fábio Klamt a, b, e, ⁎
a Laboratory of Cellular Biochemistry, Department of Biochemistry, Institute of Basic Health Sciences (ICBS), Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), Porto Alegre, RS 90035-003, Brazil 
b Postgraduate Program in Biological Sciences: Biochemistry, Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), Porto Alegre, RS 90035-003, Brazil 
c Pathology Laboratory, Federal University of Health Science of Porto Alegre (UFCSPA), Porto Alegre, RS 90050-170, Brazil 
d Franciscana University (UFN), Santa Maria, RS 97010-032, Brazil 
e National Institute of Science and Technology in Digital Mental Health (INCT-SMD), Porto Alegre, RS, Brazil 

⁎ Correspondence to: Laboratory of Cellular Biochemistry, Department of Biochemistry, Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), 2600 Ramiro Barcelos St, Porto Alegre, RS 90035-003, Brazil. Laboratory of Cellular Biochemistry, Department of Biochemistry, Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) 2600 Ramiro Barcelos St Porto Alegre RS 90035-003 Brazil

Abstract

The limited predictive value of conventional two-dimensional (2D) cell culture models remains a major obstacle to successful anticancer drug development. Although three-dimensional (3D) multicellular tumor spheroids better reproduce key structural and functional features of solid tumors, standardized methodologies and biologically relevant analytical approaches for evaluating therapeutic responses throughout spheroid maturation remain insufficiently established. We developed a simple, low-cost, and highly reproducible protocol for generating homogeneous A549 human lung adenocarcinoma spheroids in agarose-coated 96-well plates and systematically characterized their structural and proliferative maturation over 20 days in vitro (DIV). Based on coordinated changes in architecture and proliferative activity, spheroids were classified as early-(4 DIV), intermediate-(8–12 DIV), and late-maturation stage (16–20 DIV). Cisplatin and metformin were used as chemotherapeutic agents with distinct mechanism of action to investigate how spheroid maturation and analytical endpoint selection influence therapeutic response. Growth inhibition (GI 50 ) was evaluated using image-based morphometric analysis, MTT reduction assay, and intracellular ATP quantification, while Ki67 expression was used to assess proliferative activity. The workflow consistently generated a single homogeneous spheroid per well by 4 DIV, followed by progressive increases in size, structural complexity, tissue compartmentalization and a decline in proliferation. Cisplatin sensitivity progressively decreased during spheroid maturation, and morphometric- and MTT-derived GI 50 values were inversely correlated with Ki67 expression, whereas ATP quantification underestimated maturation-dependent resistance profile. Importantly, 2D A549 cultures did not reproduce a corresponding relationship between proliferation and cisplatin sensitivity. Conversely, metabolic viability assay such as MTT better identify the spheroid sensitivity against metformin. Collectively, these findings demonstrate that spheroid maturation reshapes chemotherapeutic response through an integrated phenotype and that analytical endpoints should be interpreted according to their biological concordance with drug mechanism of action. Standardizing maturation stage together with mechanism-informed endpoint selection may improve the reproducibility and mechanistic interpretation of 3D preclinical cancer models, supporting their implementation within New Approach Methodologies (NAMs) and the principles of Replacement, Reduction and Refinement (3Rs) in anticancer drug development.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

•
A standardized workflow generates homogeneous lung cancer spheroids with reproducible biological maturation.
•
Spheroid maturation dynamically determined drug sensitivity through progressive reduction in proliferative activity.
•
Metformin reveals maturation-dependent metabolic vulnerability in 3D spheroids.
•
A mechanism-informed framework is proposed for validating analytical endpoints according to concordance with drug mechanism of action.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Three-dimensional tumor spheroids, Lung adenocarcinoma, Spheroid maturation, Image-based morphometry, Translational oncology


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