Summary

Live-Imaging om te studeren microtubuli Dynamic Instabiliteit in taxaan-resistente borstkankers

Published: February 20, 2017
doi:

Summary

In this paper, we report a protocol describing an in vivo method to measure microtubule dynamic instability in docetaxel-resistant breast cancer cells (MCF-7TXT). In this method, a deconvolution microscopy imaging system is used to detect the expression of GFP-tubulin in target cells.

Abstract

Taxanes such as docetaxel belong to a group of microtubule-targeting agents (MTAs) that are commonly relied upon to treat cancer. However, taxane resistance in cancerous cells drastically reduces the effectiveness of the drugs’ long-term usage. Accumulated evidence suggests that the mechanisms underlying taxane resistance include both general mechanisms, such as the development of multidrug resistance due to the overexpression of drug-efflux proteins, and taxane-specific mechanisms, such as those that involve microtubule dynamics.

Because taxanes target cell microtubules, measuring microtubule dynamic instability is an important step in determining the mechanisms of taxane resistance and provides insight into how to overcome this resistance. In the experiment, an in vivo method was used to measure microtubule dynamic instability. GFP-tagged α-tubulin was expressed and incorporated into microtubules in MCF-7 cells, allowing for the recording of the microtubule dynamics by time lapse using a sensitive camera. The results showed that, as opposed to the non-resistant parental MCF-7CC cells, the microtubule dynamics of docetaxel-resistant MCF-7TXT cells are insensitive to docetaxel treatment, which causes the resistance to docetaxel-induced mitotic arrest and apoptosis. This paper will outline this in vivo method of measuring microtubule dynamic instability.

Introduction

De belangrijkste oorzaak van de sterfte aan borstkanker is door middel van metastase 1, 2. Taxanen zoals paclitaxel en docetaxel, worden momenteel gebruikt als eerstelijnsbehandeling regimes voor de behandeling van metastatische borstkanker 2, 3, 4, 5, 6. Ze behoren tot een groep van microtubulus richtende middelen (MTA) die dynamiek van microtubuli verstoren. Een van de grootste uitdagingen voor gebruik taxanen curatieve therapie is de ontwikkeling van resistentie taxaan in kankercellen, wat leidt tot terugkeer van de ziekte 7. Geneesmiddelresistentie goed voor meer dan 90% van alle sterfgevallen bij patiënten met metastatische borstkanker 7.

Microtubuli worden gevormd door de polymerisatie van α- en β-tubuline heterodimerenclass = "xref"> 8, 9. De precieze regeling van de dynamiek van microtubuli is van belang voor vele cellulaire functies, zoals mobiele polarisatie, voortgang van de celcyclus, intracellulair transport en cell signaling. Ontregeling van microtubuli en hun dynamiek celfunctie verstoren en leiden tot celdood 10, 11. Afhankelijk van hoe zij veroorzaken deze ontregeling, kan MTA drugs worden geclassificeerd als microtubule stabiliserende middelen (dat wil zeggen, taxanen) of microtubule-destabalizing middelen (dat wil zeggen, vinca alkaloïden of colchicine plaatse bindmiddelen) 20. Ondanks hun tegengestelde effecten op microtubuli massa, op een voldoende dosering, beide klassen kunnen kankercellen te doden door hun effecten op de dynamiek van microtubuli 21.

Taxanen werken voornamelijk door het stabiliseren van de microtubule as 12, waardoorchromosomale foutieve uitlijning. De daaropvolgende voortdurende activering van de spindel montage checkpoint (SAC) arresteert de cel in mitose. Langdurige mitose veroorzaakt apoptose dan 13, 14. Taxaan reageert met microtubuli door het taxaan bindingsplaats op β-tubuline 8, 15, die alleen aanwezig in gemonteerde tubuline 16.

Meerdere mechanismen voor taxaan weerstand zijn voorgesteld 9, 17. Deze mechanismen omvatten zowel algemene multidrug resistentie door de overexpressie van drug-efflux eiwitten en taxaan-specifieke weerstand 5, 9, 18, 19. Bijvoorbeeld kan taxaan-resistente kankercellen veranderde expressie en functie van bepaalde β-badUlin isotypen 5, 9, 19, 20, 21, 22, 23. Door toepassing van een in vivo methode om microtubule dynamische instabiliteit meten, laten we zien dat, in vergelijking met niet-resistente, ouderlijke MCF-7 cellen 17 CC, de microtubule dynamiek van docetaxel-resistente MCF-7 TXT cellen zijn ongevoelig voor behandeling met docetaxel.

Om een ​​beter begrip van de functie van MTA en het exacte mechanisme van taxaan-resistentie in kankercellen, is het essentieel om microtubule dynamiek meten. Hier rapporteren we een in vivo werkwijze voor het doen. Via levende beeldvorming in combinatie met de expressie van GFP-gelabeld tubuline in cellen, kunnen we de microtubule dynamiek van MCF-7 TXT en MCF-7 cellen met CC en wi metenthout de behandeling met docetaxel. Het resultaat kan ons helpen het ontwerpen van meer doeltreffende geneesmiddelen die taxaan weerstand kan overwinnen.

Protocol

1. Voorbereiding van de Cellen voor Live Imaging Celcultuur en zaaien Gebruik MCF-7 borstkankercellen geselecteerd op resistentie tegen docetaxel (MCF-7 TXT) en de niet-resistente ouderlijke cellijn (MCF-7 CC). De gedetailleerde selectieproces en de karakterisering van deze geselecteerde cellijnen werden eerder 24 beschreven. Groeien alle cellen in 10 cm kweekschalen bij 37 ° C in een medium bestaande 90% Dulbecco's gemodif…

Representative Results

Met het protocol hier gepresenteerde bestudeerden we het effect van docetaxel op de microtubule dynamiek van normale (MCF-7 CC) en docetaxel-resistente (MCF-7 TXT) borstkankercellen. Twee reeksen beelden tonen het effect van docetaxel (0,5 uM) Groei microtubuli en verkorting in MCF-7 CC en MCF-7 TXT cellen (Figuur 1A). Ook berekenden de groei microtubuli en beperking…

Discussion

Er zijn twee belangrijke methoden microtubule dynamische instabiliteit meten: in vitro en in vivo. In de in vitro werkwijze wordt gezuiverd tubuline gebruikt microtubule dynamische instabiliteit-computer verbeterde time-lapse differentiële interferentie contrast microscopie meten. In de in vivo werkwijze gemicroinjecteerd fluorescerende tubuline of expressie GFP-tubuline, wordt opgenomen in microtubules. De dynamiek (groei en verkorting) van de microtubuli wordt vervolgens geregistre…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research is supported by funding from CBCF (to ZW).

Materials

Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) Sigma-Aldrich D5796
Non-essential amino acids Life Technologies, Invitrogen 11140-050
FBS Gibco, Invitrogen 12483
Anti-Anti (100x) Life Technologies, Invitrogen 15240-062
docetaxel Sigma-Aldrich 01885-5mg-F
DMEM phenol red-free Gibco, Invitrogen 21063
CellLight Reagent *BacMam 2.0* GFP-tubulin ThermoFisher Scientific C10613 Key reagent for expressing GFP tubulin in cells
CellLight Reagent *BacMam 2.0* GFP ThermoFisher Scientific B10383 Control
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) Sigma-Aldrich+B9:AA9 472301 for dissoving decetaxel
22-mm glass coveslip Fisher Scientifics 12-545-101
6-well culture plate Greiner Bio-One International 6 Well Celi Culture Plate
DeltaVision Microscopy Imaging Systems GE Health This system is equipped with weather station for controlling temperature and CO2. It also equipped with Worx Software for deconvolution and time lapse control.
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red ThermoFisher Scientific 25200056
Bright-Line Hemacytometer Set, Hausser Scientific Hausser Scientific, Distributed by VWR Supplier No.: 1492 VWR No.:15170-172

References

  1. Kamangar, F., Dores, G. M., Anderson, W. F. Patterns of cancer incidence, mortality, and prevalence across five continents: defining priorities to reduce cancer disparities in different geographic regions of the world. J Clin Oncol. 24 (14), 2137-2150 (2006).
  2. Yardley, D. A. Drug resistance and the role of combination chemotherapy in improving patient outcomes. Int J Breast Cancer. 2013, 137414 (2013).
  3. Jassem, J., et al. Doxorubicin and paclitaxel versus fluorouracil, doxorubicin, and cyclophosphamide as first-line therapy for women with metastatic breast cancer: final results of a randomized phase III multicenter trial. J Clin Oncol. 19 (6), 1707-1715 (2001).
  4. Nabholtz, J. M., et al. Docetaxel and doxorubicin compared with doxorubicin and cyclophosphamide as first-line chemotherapy for metastatic breast cancer: results of a randomized, multicenter, phase III trial. J Clin Oncol. 21 (6), 968-975 (2003).
  5. Zelnak, A. Overcoming taxane and anthracycline resistance. Breast J. 16 (3), 309-312 (2010).
  6. Rivera, E. Implications of anthracycline-resistant and taxane-resistant metastatic breast cancer and new therapeutic options. Breast J. 16 (3), 252-263 (2010).
  7. Longley, D. B., Johnston, P. G. Molecular mechanisms of drug resistance. J Pathol. 205 (2), 275-292 (2005).
  8. Downing, K. H., Nogales, E. Crystallographic structure of tubulin: implications for dynamics and drug binding. Cell Struct.Funct. 24 (5), 269-275 (1999).
  9. McGrogan, B. T., Gilmartin, B., Carney, D. N., McCann, A. Taxanes, microtubules and chemoresistant breast cancer. Biochim.Biophys.Acta. 1785 (2), 96-132 (2008).
  10. Kamath, K., Oroudjev, E., Jordan, M. A. Determination of microtubule dynamic instability in living cells. Methods Cell Biol. 97, 1-14 (2010).
  11. Dumontet, C., Jordan, M. A. Microtubule-binding agents: a dynamic field of cancer therapeutics. Nat Rev Drug Discov. 9 (10), 790-803 (2010).
  12. Jordan, M. A., Wilson, L. Microtubules as a target for anticancer drugs. Nat.Rev.Cancer. 4 (4), 253-265 (2004).
  13. Gascoigne, K. E., Taylor, S. S. How do anti-mitotic drugs kill cancer cells?. J.Cell Sci. 122 (15), 2579-2585 (2009).
  14. Kavallaris, M. Microtubules and resistance to tubulin-binding agents. Nat.Rev.Cancer. 10 (3), 194-204 (2010).
  15. Diaz, J. F., Valpuesta, J. M., Chacon, P., Diakun, G., Andreu, J. M. Changes in microtubule protofilament number induced by Taxol binding to an easily accessible site. Internal microtubule dynamics. J.Biol.Chem. 273 (50), 33803-33810 (1998).
  16. Abal, M., Andreu, J. M., Barasoain, I. Taxanes: microtubule and centrosome targets, and cell cycle dependent mechanisms of action. Curr Cancer Drug Targets. 3 (3), 193-203 (2003).
  17. Wang, H., et al. Multiple mechanisms underlying acquired resistance to taxanes in selected docetaxel-resistant MCF-7 breast cancer cells. BMC Cancer. 14 (37), (2014).
  18. Lal, S., Mahajan, A., Chen, W. N., Chowbay, B. Pharmacogenetics of target genes across doxorubicin disposition pathway: a review. Curr. Drug Metab. 11 (1), 115-128 (2010).
  19. Murray, S., Briasoulis, E., Linardou, H., Bafaloukos, D., Papadimitriou, C. Taxane resistance in breast cancer: mechanisms, predictive biomarkers and circumvention strategies. Cancer Treat.Rev. 38 (7), 890-903 (2012).
  20. Kamath, K., Wilson, L., Cabral, F., Jordan, M. A. BetaIII-tubulin induces paclitaxel resistance in association with reduced effects on microtubule dynamic instability. J.Biol.Chem. 280 (13), 12902-12907 (2005).
  21. Banerjee, A. Increased levels of tyrosinated alpha-, beta(III)-, and beta(IV)-tubulin isotypes in paclitaxel-resistant MCF-7 breast cancer cells. Biochem.Biophys.Res.Commun. 293 (1), 598-601 (2002).
  22. Wiesen, K. M., Xia, S., Yang, C. P., Horwitz, S. B. Wild-type class I beta-tubulin sensitizes Taxol-resistant breast adenocarcinoma cells harboring a beta-tubulin mutation. Cancer Lett. 257 (2), 227-235 (2007).
  23. Iseri, O. D., Kars, M. D., Arpaci, F., Gunduz, U. Gene expression analysis of drug-resistant MCF-7 cells: implications for relation to extracellular matrix proteins. Cancer Chemother.Pharmacol. 65 (3), 447-455 (2010).
  24. Hembruff, S. L., et al. Role of drug transporters and drug accumulation in the temporal acquisition of drug resistance. BMC.Cancer. 8, 318 (2008).
  25. Yenjerla, M., Lopus, M., Wilson, L. Analysis of dynamic instability of steady-state microtubules in vitro by video-enhanced differential interference contrast microscopy with an appendix by Emin Oroudjev. Methods Cell Biol. 95, 189-206 (2010).
  26. Sammak, P. J., Gorbsky, G. J., Borisy, G. G. Microtubule dynamics in vivo: a test of mechanisms of turnover. J Cell Biol. 104 (3), 395-405 (1987).
  27. Walker, R. A., et al. Dynamic instability of individual microtubules analyzed by video light microscopy: rate constants and transition frequencies. J Cell Biol. 107 (4), 1437-1448 (1988).
  28. Desai, A., Mitchison, T. J. Microtubule polymerization dynamics. Annu Rev Cell Dev Biol. 13, 83-117 (1997).
  29. Walczak, C. E. Microtubule dynamics and tubulin interacting proteins. Curr Opin Cell Biol. 12 (1), 52-56 (2000).
check_url/cn/55027?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Wang, R., Wang, H., Wang, Z. Live Imaging to Study Microtubule Dynamic Instability in Taxane-resistant Breast Cancers. J. Vis. Exp. (120), e55027, doi:10.3791/55027 (2017).

View Video