患者由来の腫瘍サンプルから3次元スフェロイドを樹立し、薬物に対する感受性を評価
Summary
本プロトコルは、初代がん細胞から3D腫瘍培養モデルを生成し、細胞生存率アッセイおよび顕微鏡検査を使用して薬物に対するそれらの感受性を評価することを記載しています。
Abstract
腫瘍生物学の理解は目覚ましい進歩を遂げているにもかかわらず、臨床試験に入る腫瘍薬候補の大多数は、多くの場合、臨床効果の欠如が原因で失敗します。この高い失敗率は、主に腫瘍の不均一性と腫瘍の微小環境を反映する上での不十分なために、現在の前臨床モデルが臨床効果を予測できないことを明らかにしています。これらの制限は、個々の患者に由来するヒト腫瘍サンプルから確立された3次元(3D)培養モデル(スフェロイド)で対処できます。これらの3D培養は、腫瘍の不均一性を反映しない確立された細胞株よりも現実世界の生物学をよりよく表しています。さらに、3D培養は、低酸素、壊死、細胞接着などの腫瘍環境の要素を複製し、自然な細胞の形状と成長を維持するため、2次元(2D)培養モデル(単層構造)よりも優れています。本研究では、多細胞スフェロイドで増殖する個々の患者からの癌細胞の初代培養を調製する方法を開発しました。細胞は、患者腫瘍または患者由来の異種移植片から直接誘導することができる。この方法は、固形腫瘍(結腸、乳房、肺など)に広く適用可能であり、特殊な機器に頼らずに典型的な癌研究/細胞生物学ラボで完全に実行できるため、費用対効果も高くなります。ここでは、初代がん細胞から3D腫瘍培養モデル(多細胞スフェロイド)を生成し、細胞生存率アッセイ(MTT)と顕微鏡検査の2つの補完的なアプローチを使用して薬物に対する感受性を評価するためのプロトコルを提示します。これらの多細胞スフェロイドは、潜在的な薬剤候補の評価、潜在的なバイオマーカーまたは治療標的の特定、および応答と耐性のメカニズムの調査に使用できます。
Introduction
インビトロおよびインビボ研究は、がん治療法を開発するための補完的なアプローチを表しています。in vitroモデルは、ほとんどの実験変数の制御を可能にし、定量分析を容易にします。多くの場合、低コストのスクリーニングプラットフォームとして機能し、機構研究にも使用できます1。ただし、そのようなモデルは腫瘍微小環境を部分的にしか反映していないため、それらの生物学的関連性は本質的に制限されています1。対照的に、患者由来の異種移植片(PDX)などのin vivoモデルは、腫瘍微小環境の複雑さを捉えており、トランスレーショナルスタディや患者の個別化治療(つまり、個々の患者に由来するモデルで薬物に対する反応を調査する)に適しています1。しかし、in vivoモデルは、実験パラメータをin vitroモデルほど厳密に制御できず、その開発に時間がかかり、労働集約的で、コストがかかるため、薬物スクリーニングのためのハイスループットアプローチを助長しません1,2。
in vitroモデルは100年以上前から利用可能であり、細胞株は70年以上前から利用可能です3。しかし、過去数十年の間に、固形腫瘍の利用可能なin vitroモデルの複雑さは劇的に増加しました。この複雑さは、腫瘍由来の確立された細胞株または初代細胞株のいずれかである2次元(2D)培養モデル(単層構造)から、3次元(3D)モデルを含む最近のアプローチまで多岐にわたります1。2Dモデル内では、確立された細胞株と初代細胞株が重要な違いがあります4。確立された細胞株は不死化されています。したがって、同じ細胞株を長年にわたってグローバルに使用することができ、歴史的な観点から、コラボレーション、データの蓄積、および多くの治療戦略の開発が容易になります。しかし、これらの細胞株の遺伝的異常は継代ごとに蓄積するため、生物学的関連性が損なわれます。さらに、利用可能な細胞株の数が限られていることは、患者4,5における腫瘍の不均一性を反映していない。原発がん細胞株は、生検、胸水、または切除によって得られた切除された腫瘍サンプルから直接得られます。したがって、原発がん細胞株は、腫瘍微小環境の要素や、細胞間挙動(健康な細胞とがん細胞の間のクロストークなど)やがん細胞の幹細胞様表現型などの腫瘍特性を保存するため、生物学的により関連性があります。しかし、初代細胞株の複製能力は限られているため、培養時間が短くなり、分析に使用できる腫瘍細胞の数が制限されます4,5。
3D培養を使用するモデルは、in vivo条件が保持されるため、2D培養モデルよりも生物学的に関連性があります。したがって、3D培養モデルは、自然な細胞の形状と成長を維持し、低酸素、壊死、細胞接着などの腫瘍環境の要素を複製します。がん研究で最も一般的に使用される3Dモデルには、多細胞スフェロイド、足場ベースの構造、およびマトリックス埋め込み培養が含まれます4、6、7。
本プロトコルは、初代がん細胞から3D腫瘍培養モデル(多細胞スフェロイド)を生成し、細胞生存率アッセイ(MTT)と顕微鏡検査の2つの補完的なアプローチを使用して薬物に対する感受性を評価します。ここに提示される代表的な結果は、乳がんおよび結腸がんからのものです。ただし、このプロトコルは、他の固形腫瘍タイプ(胆管がん、胃がん、肺がん、膵臓がんなど)にも広く適用でき、特殊な機器に依存せずに一般的ながん研究/細胞生物学ラボで完全に実行できるため、費用対効果も高くなります。このアプローチを使用して生成された多細胞スフェロイドは、潜在的な薬剤候補の評価、潜在的なバイオマーカーまたは治療標的の特定、および応答と耐性のメカニズムの調査に使用できます。
このプロトコルは3つのセクションに分かれています:(1)薬効をテストするためのモデルとして使用するためのスフェロイドの生成、収集、およびカウント。(2)スフェロイドに対する薬効を評価するためのMTTアッセイ;(3)薬物有効性を評価するための別のアプローチとしてのスフェロイドの薬物による治療後の形態学的変化の顕微鏡的評価(図1)。
Protocol
Representative Results
Discussion
本プロトコルは、ヒト腫瘍サンプルに由来する3D初代細胞培養物(スフェロイド)を生成するための簡単な方法を記載する。これらのスフェロイドは、潜在的な薬剤候補や薬剤の組み合わせの評価、潜在的なバイオマーカーや治療標的の特定、応答と耐性のメカニズムの調査など、さまざまな分析に使用できます。このプロトコルでは、患者サンプルから直接得られた初代腫瘍細胞、またはPDXモ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
何一つ。
Materials
| 5 Fluorouracil | TEVA Israel | lot 16c22NA | Fluorouracil, Adrucil |
| Accutase | Gibco | A1110501 | StemPro Accutase Cell Dissociation |
| Cisplatin | TEVA Israel | 20B06LA | Abiplatin, |
| Cultrex | Trevigen | 3632-010-02 | Basement membrane matrix, type 3 |
| DMSO (dimethyl sulfoxide) | Sigma Aldrich | D2650-100ML | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | 2391595 | |
| Flurometer ELISA reader | Biotek | Synergy H1 | Gen5 3.11 |
| Hydrochloric acid (HCl) | Sigma Aldrich | 320331 | for stop solution |
| ImageJ | National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA | Version 1.52a | Open-source software ImageJ |
| Isopropanol | Gadot | P180008215 | for stop solution |
| L-glutamine | Gibco | 1843977 | |
| MTT | Sigma Aldrich | M5655-1G | 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide |
| Non-essential amino acids | Gibco | 11140050 | |
| Palbociclib | Med Chem Express | CAS # 571190-30-2 | |
| PBS | Gibco | 14190094 | Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS)*Without Calcium and Magnesium |
| Penicillin–streptomycin | Invitrogen | 2119399 | |
| Phenol-free RPMI 1640 | Biological industries, Israel | 01-103-1A | |
| Pippeting reservoir | Alexred | RED LTT012025 | |
| RPMI-1640 culture medium | Gibco | 11530586 | |
| Sunitinib | Med Chem Express | CAS # 341031-54-7 | |
| Trastuzumab | F. Hoffmann – La Roche Ltd, Basel, Switherland | 10172154 IL | Herceptin |
| Trypan blue 0.5% solution | Biological industries, Israel | 03-102-1B | |
| Ultra-low attachment 96 well plate | Greiner Bio-one | 650970 | |
| Vinorelbine | Ebewe | 11733027-03 | Navelbine |
References
- Katt, M. E., Placone, A. L., Wong, A. D., Xu, Z. S., Searson, P. C. In vitro tumor models: Advantages, disadvantages, variables, and selecting the right platform. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 4, 12 (2016).
- Yoshida, G. J. Applications of patient-derived tumor xenograft models and tumor organoids. Journal of Hematology & Oncology. 13 (1), 4 (2020).
- Ledur, P. F., Onzi, G. R., Zong, H., Lenz, G. Culture conditions defining glioblastoma cells behavior: What is the impact for novel discoveries. Oncotarget. 8 (40), 69185-69197 (2017).
- Richter, M., et al. From donor to the lab: A fascinating journey of primary cell lines. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 9, 711381 (2021).
- Esparza-Lopez, J., Martinez-Aguilar, J. F., Ibarra-Sanchez, M. J. Deriving primary cancer cell cultures for personalized therapy. Revista de Investigación Clínica. 71 (6), 369-380 (2019).
- Choi, J. R., et al. In vitro human cancer models for biomedical applications. Cancers. 14 (9), 2284 (2022).
- Eglen, R. M., Randle, D. H. Drug discovery goes three-dimensional: Goodbye to flat high-throughput screening. Assay and Drug Development Technologies. 13 (5), 262-265 (2015).
- Kodack, D. P., et al. Primary patient-derived cancer cells and their potential for personalized cancer patient care. Cell Reports. 21 (11), 3298-3309 (2017).
- Moskovits, N., et al. Palbociclib in combination with sunitinib exerts a synergistic anti-cancer effect in patient-derived xenograft models of various human cancers types. Cancer Letters. 536, 215665 (2022).
- Ricardo, R., Phelan, K. Counting and determining the viability of cultured cells. Journal of Visualized Experiments. (16), e752 (2008).
- Brajša, K., Trzun, M., Zlatar, I., Jelić, D. Three-dimensional cell cultures as a new tool in drug discovery. Periodicum Biologorum. 118 (1), 59-65 (2016).
- Han, S. J., Kwon, S., Kim, K. S. Challenges of applying multicellular tumor spheroids in preclinical phase. Cancer Cell International. 21 (1), 152 (2021).
- van Meerloo, J., Kaspers, G. J., Cloos, J. Cell sensitivity assays: The MTT assay. Methods in Molecular Biology. 731, 237-245 (2011).
- Walzl, A., et al. The resazurin reduction assay can distinguish cytotoxic from cytostatic compounds in spheroid screening assays. Journal of Biomolecular Screening. 19 (7), 1047-1059 (2014).
