Summary

Zebra Balığı Beynini İstila Eden Glioblastoma Hücrelerinde Mikrotübül Dinamiğinin Canlı Görüntülenmesi

Published: July 29, 2022
doi:

Summary

Omurgalı beyin dokusunu invaze eden glioblastoma (GBM) hücrelerinde mikrotübül dinamiklerinin canlı görüntülenmesine izin veren bir teknik sunuyoruz. Floresan etiketli GBM hücrelerinin ortotopik enjeksiyonunun, yüksek çözünürlüklü intravital görüntüleme ile şeffaf bir zebra balığı beynine bağlanması, in situ kanser invazyonu sırasında sitoiskelet dinamiklerinin ölçülmesini sağlar.

Abstract

Gerçek popülasyonlarda kasvetli bir medyan sağkalım süresi ile – 6 ila 15 ay arasında – glioblastom (GBM) en yıkıcı malign beyin tümörüdür. Tedavi başarısızlığı esas olarak GBM hücrelerinin invazivliğinden kaynaklanmaktadır, bu da GBM hareketli özelliklerinin daha iyi anlaşılması ihtiyacını ifade etmektedir. GBM invazyonunu destekleyen moleküler mekanizmayı araştırmak için, invazyon sırasında protein dinamiklerinin derinlemesine karakterizasyonunu sağlayan yeni fizyolojik modellere ihtiyaç vardır. Bu gözlemler, tümör infiltrasyonunu bloke etmek ve hasta sonuçlarını iyileştirmek için yeni hedeflerin keşfine yol açacaktır. Bu makale, zebra balığı beynindeki GBM hücrelerinin ortotopik ksenograftının hücre altı intravital canlı görüntülemeye nasıl izin verdiğini bildirmektedir. Mikrotübüllere (MT’ler) odaklanarak, GBM hücrelerinde MT etiketleme, döllenme sonrası 3 gün (dpf) zebra balığı larvalarının şeffaf beyninde GBM hücrelerinin mikroenjekte edilmesi, yayılan ksenogreftlerde MT’lerin intravital görüntülenmesi, GBM invazyonu sırasında rollerini değerlendirmek için MT dinamiklerini değiştirme ve elde edilen verileri analiz etme prosedürünü açıklıyoruz.

Introduction

Hücre hareketliliği, polarite ekseni oluşturulmasını ve kuvvet üreten sitoiskelet yeniden düzenlemelerini gerektiren kalıplaşmış bir süreçtir. Aktin polimerizasyonu ve miyozin ile ilişkisi, hücre hareketi için gerekli olan çıkıntılı ve kontraktil kuvvetlere ana katkıda bulunanlar olarak kabul edilmektedir1. Mikrotübüller, hücre polarizasyonunda ve göç sırasında yönlü kalıcılıkta ana aktörler olarak kabul edilir2. Son yıllarda, MT’lerin 3D3’te hücre invazyonu sırasında mekanokompresif kuvvetleri desteklemek için çıkıntılar oluşturduğu ve stabilize ettiği gösterilmiştir. Daha yakın zamanlarda, MT’ler fokal adezyonlar ve mekanosensitif migrasyonda mekanotransdüksiyona doğrudan dahil olmuştur4. MT-plus uç dinamiklerini karakterize eden dinamik kararsızlık, RHO-GTPazlar 5,6,7 tarafından yönetilenler gibi çok sayıda mikrotübül bağlayıcı protein ve hücre içi sinyal kaskadları tarafından kontrol edilen tekrarlanan polimerizasyon (büyüme) ve depolimerizasyon (büzülme) aşamalarından oluşur. MT ağının hücre göçü ve invazyonundaki rolü, MT dinamiklerinin araştırılmasını, bağışıklık hücresi homing, yara iyileşmesi ve kanser invazyonu mekanizmalarını daha iyi anlamak için kilit bir unsur haline getirmiştir.

Kanser hücrelerinin birincil tümör çekirdeğinden kaçma, dokulara yayılma ve ikincil tümörler üretme yeteneği, 50 yıl önceilan edilen kansere karşı savaşta küresel başarıyı önlemede kritik bir adımdır 8,9. En büyük engellerden biri, kanser hücrelerinin dokuyu aktif olarak nasıl istila ettiğini anlamaktır. Anahtar invazyon mekanizmaları, tümörlü olmayan hücre göçünü yönetenlerle aynı prensiplere dayanır10. Bununla birlikte, kanser hücresi göçü özgüllükleriortaya çıkmıştır 11, bu da bu göç türünün daha iyi karakterize edilmesine duyulan ihtiyacı tetiklemektedir. Spesifik olarak, tümör mikroçevresi kanser progresyonunda kilit bir oyuncu olarak göründüğü için12, kanser hücresi invazyonunu ilgili fizyolojik bağlamda gözlemlemek ve analiz etmek, kanser hücresi yayılma mekanizmalarını çözmek için gereklidir.

MT’ler, hem proliferasyon hem de istilayı sürdürmek için kanser progresyonunun merkezindedir. MT dinamiklerinin yerinde hassas analizi, her iki proseste de MT değiştirici ajanların (MTA) tanımlanmasına yardımcı olabilir. MT dinamikleri, ortamdaki bir değişikliğe bağlı olarak büyük ölçüde değişir. In vitro, nokodazol gibi MT-istikrarsızlaştırıcı ajanlarla tedavi, hücreler 3D jellere gömüldüğünde hücre çıkıntısı oluşumunu önlerken, 2D hücre göçü13,14 üzerinde çok az etkisi vardır. Teknik olarak zor olmasına rağmen, intravital görüntülemedeki ilerlemeler, kanser hücresi invazyonu sırasında MT dinamiklerinin in vivo analizine izin vermektedir. Örneğin, farelerde deri altından ksenograflanmış fibrosarkom hücrelerinde MTs’lerin gözlemlenmesi, tümörle ilişkili makrofajların tümör hücrelerinde MT dinamiklerini etkilediğini ortaya koymuştur15. Bununla birlikte, bu fare modelleri kapsamlı cerrahi prosedürler içerir ve yüksek derecede invaziv beyin tümörü GBM gibi daha az erişilebilir kanserler için tatmin edici değildir.

Kasvetli bir 15 aylık ortalama hayatta kalma süresi16’ya rağmen, GBM’nin beyin parankimi içindeki yayılma şekli veya beyin dokusunda GBM hücre invazyonunu sürdüren temel moleküler elementler hakkında çok az şey bilinmektedir. Fare ortotopik ksenogreft (PDX) modelindeki gelişmeler ve kraniyal pencerelerin kurulması GBM hücre invazyonu çalışmaları için yeni umutlar sunmuştur17,18. Bununla birlikte, yetersiz görüntüleme kalitesi nedeniyle, bu model çoğunlukla yüzeysel ksenogreftlerin uzunlamasına görüntülenmesine izin vermiş ve şimdiye kadar sitoiskelet proteinlerinin hücre altı görüntülemesini incelemek için başarılı bir şekilde kullanılmamıştır. Ayrıca, kemirgenlerin kullanımını azaltmak ve onları alt omurgalılarla değiştirmek için “3R” emrinin ardından, alternatif modeller oluşturulmuştur.

Zebra balığı (Danio rerio) larvalarında gözlenen ilkel bağışıklıktan yararlanarak, balık beynine GBM hücrelerinin ortotopik enjeksiyonu 19,20,21 geliştirilmiştir. Gelişmekte olan orta beyindeki ventriküllerin yakınına enjeksiyon, insan GBM patofizyolojisinin çoğunu özetler21 ve insan-damar ko-seçeneğinde olduğu gibi aynı tercih edilen GBM invazyonu paternigözlenir 22. Balık larvalarının şeffaflığı sayesinde, bu model, çoğu GBM’nin ortaya çıktığı düşünülen peri-ventriküler bölgelerden beyni istila eden GBM hücrelerinin görselleştirilmesine izin verir23.

MT’ler in vitro24,25 GBM hücre invazyonu için gerekli olduğundan, MT dinamiklerinin daha iyi bir karakterizasyonu ve hücre invazyonu sırasında anahtar düzenleyicilerin tanımlanması gereklidir. Bununla birlikte, bugüne kadar, zebra balığı ortotopik modeli ile üretilen veriler, istila işlemi sırasında MT dinamiklerinin hücre altı analizini içermemiştir. Bu makale, MT dinamiklerini in vivo olarak incelemek ve beyin kanseri invazyonu sırasındaki rolünü belirlemek için bir protokol sunmaktadır. Kararlı mikrotübül etiketlemesini takiben, GBM hücrelerine zebra balığı larvalarının beyinlerinde 3 dpf’de mikroenjekte edilir ve beyin dokusundaki ilerlemeleri sırasında yüksek uzaysal-zamansal çözünürlükte gerçek zamanlı olarak görüntülenir. Floresan MT’lerin canlı görüntülenmesi, MT artı uç dinamiklerinin kalitatif ve kantitatif analizini sağlar. Ayrıca, bu model MTA’ların MT dinamikleri ve GBM hücrelerinin invaziv özellikleri üzerindeki etkisini gerçek zamanlı olarak değerlendirmeyi mümkün kılar. Bu nispeten invaziv olmayan protokol, bir seferde ele alınan çok sayıda larva ve ilaç uygulama kolaylığı (balık suyunda) ile birleştiğinde, modeli klinik öncesi testler için bir varlık haline getirir.

Protocol

Hayvan deneyleri, laboratuvar hayvanlarının kullanımı için Avrupa Birliği kılavuzlarına göre yapılmıştır. Tüm protokoller Institut Pasteur – CEEA 89 Hayvan Deneyleri Etik Komitesi ve Fransız Araştırma ve Eğitim Bakanlığı (izin #01265.03) tarafından onaylanmıştır. Enjeksiyonlar veya canlı görüntüleme seansları sırasında, hayvanlar deneysel prosedürlerin sonunda Tricaine.At ile uyuşturuldu, anestezik doz aşımı ile ötenazi yapıldı. Bu protokolde kullanılan malzemeler, ekipmanlar ve y…

Representative Results

MT’lerin in vivo GBM invazyonu sırasında oynadığı rolü analiz etmek için, burada lentiviral enfeksiyon ile GBM hücrelerinde stabil MT etiketlemesi, 3 dpf zebra balığı larvalarında GBM hücrelerinin ortotopik ksenotransplantasyonu, MT dinamiklerinin yüksek çözünürlüklü intravital görüntülemesi, MTA tedavisi ve GBM invazyonu üzerindeki etkileri ve MT dinamiklerinin ve in vivo invazyonun görüntü analizi için başlıca adımları açıklıyoruz (<strong class="x…

Discussion

Tümör ksenogreftlerinin tek hücre çözünürlüğünde görüntülenmesi, GBM biyolojisi hakkındaki anlayışımızı geliştirmek için vazgeçilmez bir araç haline gelecektir. Fare PDX modellerinde canlı görüntüleme, GBM’nin toplu olarak beyin dokusunu nasıl istila ettiğine dair değerli keşiflere yol açmıştır18. Bununla birlikte, bugüne kadar, uzaysal zamansal çözünürlük, GBM istilasını kontrol eden proteinlerin dinamiklerini ortaya çıkaracak kadar yüksek değildir. …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. P. Herbomel’e (Institut Pasteur, Fransa) ve laboratuvarına, özellikle Valérie Briolat ve Emma Colucci-Guyon’a, zebra balığı hatlarını ve mikroenjeksiyon plakaları için plastik kalıbı bize sağladıkları ve zebra balığı deney prosedürleri konusundaki değerli uzmanlıkları için son derece minnettarız. UtechS Fotonik BiyoGörüntüleme’ye (C2RT, Fransız Ulusal Araştırma Ajansı France BioImaging tarafından desteklenen Pasteur Enstitüsü ve ANR-10-INBS-04; Geleceğe Yönelik Yatırımlar). Bu çalışma Ligue contre le cancer (EL2017. LNCC), Centre National de la Recherche Scientifique ve Institut Pasteur ve Bayan Marguerite MICHEL ve Bay Porquet’in cömert bağışlarıyla.

Materials

Glioblastoma cell culture
Foetal calf serum Eurobio CVFSVF00-01 Reagent
MEM NEAA Gibco 11140-050 Reagent
Modified Eagle's medium Eurobio CM1MEM18-01 Reagent
Penicillin–streptomycin Gibco 15140-122 Reagent
U-87 MG ECACC 89081402-1VL Cells
Lenitivirus production
BD FACSAria III BD bioscience Instrument
BD FACSDiva software v8.0 BD bioscience Software
HEK-293T Merck 12022001 Cells
pMD2.G Addgene Plasmid #12259 Reagent
psPAX2 Addgene Plasmid #12260 Reagent
Ultracentrifuge Optima XPN-80 Beckman Coulter Instrument
Cell passaging and staining
dPBS Gibco 14190-094 Chemical
Hoechst 34580 Sigma-Aldrich 63493 Chemical
Trypsin-EDTA (0,05%) Gibco 25300-054 Reagent
Zebrafish husbandry
Fluorescence stereomicroscope LEICA M165FC LEICA https://www.leica-microsystems.com/fr/produits/stereomicroscopes-et-macroscopes/informations-detaillees/leica-m165-fc/ Instrument
Methylene Blue hydrate Sigma-Aldrich M4159 Chemical
N-Phenylthiourea (PTU) Sigma-Aldrich P7629-25G Chemical
Transfer Pipettes fine tips Samco Scientific 232 Equipment
Transfer Pipettes Large Bulb3mL Samco Scientific 225 Equipment
Tricaine (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate) Sigma-Aldrich Cat#: A5040 Chemical
Volvic Source Water DUTSCHER DOMINIQUE SAS 999556 Reagent
Xenotransplantation
24-well plate TPP 92024 Equipment
Borosilicate glass capillaries (1.0 ODx0.58IDx150L mm) Harvard Apparatus (#30-0017 GC100-15 Equipment
CellTram oil vario microinjector Eppendorf 5176000.025 Instrument
Microloading pipet tips (Microloader) 20µL Eppendorf  5242956003 Equipment
Micromanipulator NARISHIGE https://products.narishige-group.com/group1/injection/english.html Equipment
Mineral Oil Sigma M8410-100ml Equipment
Stereomicroscope Olympus KL 2500 LCD Instrument
Universal capillary holder Eppendorf 5176190002 Equipment
Vertical Pipette puller KOPF (Roucaire) Model 720 Instrument
Intravital Imaging
3.5cm glass-bottom videoimaging dish MatTek Life Sciences, MA, USA P35G-1,5-14-C Equipment
Acquisition software: NIS-Elements-AR version 5.21 Nikon Software
Heat-Block Techne DRI-BLOCK DB-2D Equipment
Microscope head Nikon Ti2E Nikon Instrument
sCMOS camera Prime 95B Photometrics Instrument
sCMOS camera Orca Flash 4 Hammatsu Instrument
Ultrapure Low melting point agarose Invitrogen 16520-050 Chemical
Yokagawa CSU-W1 spinning disk unit Hammatsu Instrument
Drug Treatment
DMSO Sigma-Aldrich D2650-100ML Chemical
Nocodazole Sigma-Aldrich M1404-2MG Chemical
Image Analysis
Imaris 9.5.1 software Oxford Instruments Software
ImarisFileConverter 9.5.1 Oxford Instruments Software

References

  1. Pollard, T. D., Borisy, G. G. Cellular motility driven by assembly and disassembly of actin filaments. Cell. 112 (4), 453-465 (2003).
  2. Etienne-Manneville, S. Microtubules in cell migration. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 29, 471-499 (2013).
  3. Bouchet, B. P., Akhmanova, A. Microtubules in 3D cell motility. Journal of Cell Science. 130 (1), 39-50 (2017).
  4. Seetharaman, S., et al. Microtubules tune mechanosensitive cell responses. Nature Materials. 21 (3), 366-377 (2022).
  5. Etienne-Manneville, S. From signaling pathways to microtubule dynamics: the key players. Current Opinion in Cell Biology. 22 (1), 104-111 (2010).
  6. Garcin, C., Straube, A. Microtubules in cell migration. Essays in Biochemistry. 63 (5), 509-520 (2019).
  7. Dogterom, M., Koenderink, G. H. Actin-microtubule crosstalk in cell biology. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 20 (1), 38-54 (2019).
  8. Nature editorial. The ‘war on cancer’ isn’t yet won. Nature. 601 (297), (2022).
  9. Chaffer, C. L., Weinberg, R. A. A perspective on cancer cell metastasis. Science. 331 (6024), 1559-1564 (2011).
  10. Friedl, P., Wolf, K. Tumour-cell invasion and migration: diversity and escape mechanisms. Nature Reviews Cancer. 3 (5), 362-374 (2003).
  11. Friedl, P., Alexander, S. Cancer invasion and the microenvironment: plasticity and reciprocity. Cell. 147 (5), 992-1009 (2011).
  12. Clark, A. G., Vignjevic, D. M. Modes of cancer cell invasion and the role of the microenvironment. Current Opinion in Cell Biology. 36, 13-22 (2015).
  13. Meyer, A. S., et al. 2D protrusion but not motility predicts growth factor-induced cancer cell migration in 3D collagen. Journal of Cell Biology. 197 (6), 721-729 (2012).
  14. Bouchet, B. P., et al. Mesenchymal cell invasion requires cooperative regulation of persistent microtubule growth by SLAIN2 and CLASP1. Developmental Cell. 39 (6), 708-723 (2016).
  15. Luthria, G., et al. In vivo microscopy reveals macrophage polarization locally promotes coherent microtubule dynamics in migrating cancer cells. Nature Commun. 11 (1), 3521 (2020).
  16. Wen, P. Y., Kesari, S. Malignant gliomas in adults. New England Journal of Medicine. 359 (5), 492-507 (2008).
  17. Ricard, C., Stanchi, F., Rougon, G., Debarbieux, F. An orthotopic glioblastoma mouse model maintaining brain parenchymal physical constraints and suitable for intravital two-photon microscopy. Journal of Visualized Experiments. (86), e55108 (2014).
  18. Osswald, M., et al. Brain tumour cells interconnect to a functional and resistant network. Nature. 528 (7580), 93-98 (2015).
  19. Astell, K. R., Sieger, D. Investigating microglia-brain tumor cell interactions in vivo in the larval zebrafish brain. Methods in Cell Biology. , 593-626 (2017).
  20. Zeng, A., et al. Identify a blood-brain barrier penetrating drug-TNB using zebrafish orthotopic glioblastoma xenograft model. Scientific Reports. 7 (1), 14372 (2017).
  21. Welker, A. M., et al. Correction: Standardized orthotopic xenografts in zebrafish reveal glioma cell-line-specific characteristics and tumor cell heterogeneity. Disease Models & Mechanisms. 9 (9), 1063-1065 (2016).
  22. Umans, R. A., Ten Kate, M., Pollock, C., Sontheimer, H. Fishing for contact: modeling perivascular glioma invasion in the zebrafish brain. ACS Pharmacology & Translational Science. 4 (4), 1295-1305 (2021).
  23. Lee, J. H., et al. Human glioblastoma arises from subventricular zone cells with low-level driver mutations. Nature. 560 (7717), 243-247 (2018).
  24. Pagano, A., et al. Epothilone B inhibits migration of glioblastoma cells by inducing microtubule catastrophes and affecting EB1 accumulation at microtubule plus ends. Biochemical Pharmacology. 84 (4), 432-443 (2012).
  25. Berges, R., et al. The novel tubulin-binding checkpoint activator BAL101553 inhibits EB1-dependent migration and invasion and promotes differentiation of glioblastoma stem-like cells. Molecular Cancer Therapeutics. 15 (11), 2740-2749 (2016).
  26. Lee, J., et al. Tumor stem cells derived from glioblastomas cultured in bFGF and EGF more closely mirror the phenotype and genotype of primary tumors than do serum-cultured cell lines. Cancer Cell. 9 (5), 391-403 (2006).
  27. Volvic source water mineral composition. Volvic Available from: https://www.volvic.co.uk/volcanic-water/composition (2022)
  28. White, R. M., et al. Transparent adult zebrafish as a tool for in vivo transplantation analysis. Cell Stem Cell. 2 (2), 183-189 (2008).
  29. Westerfield, M. The Zebrafish Book. A Guide for the Laboratory Use of Zebrafish (Brachydanio rerio). The University of Oregon Press, Eugene. , (2000).
  30. E3, M. . Recipe E3 medium (for zebrafish embryos. , (2011).
  31. Straube, A. How to measure microtubule dynamics. Methods in Molecular Biology. 777, 1-14 (2011).
  32. Honore, S., Braguer, D. Investigating microtubule dynamic instability using microtubule-targeting agents. Methods in Molecular Biology. 777, 245-260 (2011).
  33. Movsisyan, N., Pardo, L. A. Measurement of microtubule dynamics by spinning disk microscopy in monopolar mitotic spindles. Journal of Visualized Experiments. (153), e60478 (2019).
  34. Serikbaeva, A., Tvorogova, A., Kauanova, S., Vorobjev, I. A. Analysis of microtubule dynamics heterogeneity in cell culture. Methods in Molecular Biology. 1745, 181-204 (2018).
  35. Schnurr, M. E., Yin, Y., Scott, G. R. Temperature during embryonic development has persistent effects on metabolic enzymes in the muscle of zebrafish. Journal of Experimental Biology. 217 (8), 1370-1380 (2014).
  36. Yan, C., et al. Visualizing engrafted human cancer and therapy responses in immunodeficient zebrafish. Cell. 177 (7), 1903-1914 (2019).
  37. Li, G., Moore, J. K. Microtubule dynamics at low temperature: evidence that tubulin recycling limits assembly. Molecular Biology of the Cell. 31 (11), 1154-1166 (2020).
  38. Wu, J. S., et al. Plasticity of cancer cell invasion: Patterns and mechanisms. Translational Oncology. 14 (1), 100899 (2021).
  39. Hamilton, L., Astell, K. R., Velikova, G., Sieger, D. A zebrafish live imaging model reveals differential responses of microglia toward glioblastoma cells in vivo. Zebrafish. 13 (6), 523-534 (2016).
  40. Gillespie, S., Monje, M. An active role for neurons in glioma progression: making sense of Scherer’s structures. NeuroOncology. 20 (10), 1292-1299 (2018).
  41. Wolf, K. J., et al. A mode of cell adhesion and migration facilitated by CD44-dependent microtentacles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (21), 11432-11443 (2020).
  42. Zhou, Y. X., et al. Transcriptional upregulation of microtubule-associated protein 2 is involved in the protein kinase A-induced decrease in the invasiveness of glioma cells. Neuro-Oncology. 17 (12), 1578-1588 (2015).
  43. Monzo, P., et al. Mechanical confinement triggers glioma linear migration dependent on formin FHOD3. Molecular Biology of the Cell. 27 (8), 1246-1261 (2016).
  44. Vollmann-Zwerenz, A., Leidgens, V., Feliciello, G., Klein, C. A., Hau, P. Tumor cell invasion in glioblastoma. International Journal of Molecular Science. 21 (6), 1932 (2020).
  45. Feng, H., et al. EGFRvIII stimulates glioma growth and invasion through PKA-dependent serine phosphorylation of Dock180. Oncogene. 33 (19), 2504-2512 (2014).
  46. Liu, R., et al. Cdk5-mediated regulation of the PIKE-A-Akt pathway and glioblastoma cell invasion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (21), 7570-7575 (2008).
  47. Xiao, J., Glasgow, E., Agarwal, S. Zebrafish xenografts for drug discovery and personalized medicine. Trends in Cancer. 6 (7), 569-579 (2020).
  48. Baxendale, S., van Eeden, F., Wilkinson, R. The power of zebrafish in personalised medicine. Personalised Medicine: Lessons from Neurodegeneration to Cancer. 1007, 179-197 (2017).
  49. Cramer, S. W., et al. Through the looking glass: A review of cranial window technology for optical access to the brain. Journal of Neuroscience Methods. 354, 109100 (2021).
  50. Stanchi, F., Matsumoto, K., Gerhardt, H. Imaging glioma progression by intravital microscopy. Methods in Molecular Biology. 1862, 227-243 (2019).

Play Video

Cite This Article
Peglion, F., Coumailleau, F., Etienne-Manneville, S. Live Imaging of Microtubule Dynamics in Glioblastoma Cells Invading the Zebrafish Brain. J. Vis. Exp. (185), e64093, doi:10.3791/64093 (2022).

View Video