Расширенная Покадровый прижизненной визуализации в режиме реального времени многоклеточных Динамика в опухоли микроокружения
Summary
Этот протокол описывает использование многофотонной микроскопии для выполнения расширенного замедленную съемку многоклеточных взаимодействий в реальном масштабе времени, в естественных условиях в одном разрешении клеток.
Abstract
In the tumor microenvironment, host stromal cells interact with tumor cells to promote tumor progression, angiogenesis, tumor cell dissemination and metastasis. Multicellular interactions in the tumor microenvironment can lead to transient events including directional tumor cell motility and vascular permeability. Quantification of tumor vascular permeability has frequently used end-point experiments to measure extravasation of vascular dyes. However, due to the transient nature of multicellular interactions and vascular permeability, the kinetics of these dynamic events cannot be discerned. By labeling cells and vasculature with injectable dyes or fluorescent proteins, high-resolution time-lapse intravital microscopy has allowed the direct, real-time visualization of transient events in the tumor microenvironment. Here we describe a method for using multiphoton microscopy to perform extended intravital imaging in live mice to directly visualize multicellular dynamics in the tumor microenvironment. This method details cellular labeling strategies, the surgical preparation of a mammary skin flap, the administration of injectable dyes or proteins by tail vein catheter and the acquisition of time-lapse images. The time-lapse sequences obtained from this method facilitate the visualization and quantitation of the kinetics of cellular events of motility and vascular permeability in the tumor microenvironment.
Introduction
Распространение опухолевых клеток из первичной опухоли молочной железы было показано, включать не только опухолевые клетки, но у себя стромальных клеток, включая макрофаги и эндотелиальные клетки. Кроме того, сосудистую сеть опухоли является ненормальным с повышенной проницаемостью 1. Таким образом, определение того, как опухолевые клетки, макрофаги и эндотелиальные клетки взаимодействуют посредничать проницаемость сосудов и опухолевых клеток intravasation в микросреды первичной опухоли имеет важное значение для понимания метастазирования. Понимание кинетики проницаемости сосудов, опухолевых клеток intravasation и основной механизм передачи сигналов многоклеточных взаимодействий в микроокружение опухоли может предоставить важную информацию в разработке и введению анти-терапии рака.
Основным средством изучения опухолевой сосудистой проницаемости в естественных условиях было измерение экстраваскулярных красителей , таких как голубой Эванса 2, декстраны с высокой молекулярной массой (155 кДа)3 и флуорофор или радиоиндикаторные-конъюгированные белки ( в том числе альбумин) 4 в фиксированные моменты времени после инъекции красителя. Достижения в области микроскопии, животные модели и флуоресцентные красители позволили визуализации клеточных процессов и проницаемости сосудов в живых животных через прижизненной микроскопии 5.
Живое животное изображений с приобретением статических изображений или короткое время покадровой последовательностей в течение нескольких моментов времени не позволяет для полного понимания динамических событий в микроокружение опухоли 6,7. В самом деле, статическое получение изображений в течение 24 часов , показали , что опухоль сосудистая негерметичен, однако динамика проницаемости сосудов не наблюдалось 6. Таким образом, расширенное время непрерывной покадровой изображений до 12 часов захватывает кинетики динамических событий в микроокружение опухоли.
Этот протокол описывает использование расширенного покадровой multiphotна прижизненной микроскопии для изучения динамических многоклеточные событий в опухоли микроокружения. Несколько типов клеток в опухоли микроокружения помечены инъекционные красителей или с использованием трансгенных животных, экспрессирующие флуоресцентные белки. Использование вены катетер хвоста сосудистые красители или белки могут быть инъецированы после начала обработки изображений для получения кинетических данных многоклеточных событий в микроокружение опухоли. Для получения изображений живых клеток опухоли молочной подвергается через хирургической подготовки кожного лоскута. Изображения приобретаются на срок до 12 часов с использованием многофотонного микроскопа , оборудованного с несколькими фотоумножителей (ФЭУ) детекторов 8. При использовании соответствующих фильтров, алгоритм вычитания позволяет 4 детекторов PMT приобрести 5 флуоресцентные сигналы в опухоли микроокружения одновременно 9. Высокое разрешение многофотонная прижизненной микроскопии захватывает одного элемента разрешения визуализации опухоли стромы взаимодействий в микроокружение опухоли, что приводит к лучшему Understanding проницаемости сосудов и intravasation опухолевых клеток 10-13. В частности, расширенные прижизненной визуализации выявили высоколокализованной, транзиторные сосудистых событий , которые происходят проницаемости селективно на участках взаимодействия между опухолевой клетки, макрофаг и эндотелиальных клеток (определяемой как Опухоль микросреде метастаз, TMEM 14) 13. Кроме того, опухолевые клетки intravasation происходит только при TMEM и пространственно и временно коррелирует с проницаемостью сосудов 13. Одно разрешение клеток динамики этих событий стало возможным благодаря использованию расширенного покадровой многофотонной микроскопии флуоресцентно меченых клеток в опухоли микроокружения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Межклеточных взаимодействий, которые происходят спонтанно в микроокружение опухоли может привести к изменениям в опухолевых клеток моторики и intravasation. Высокое разрешение прижизненной визуализации тканей живого опухоли позволяет визуализировать многоклеточных динамики , которые мо…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Министерством обороны груди Программа исследований рака под номером премии (ясень, W81XWH-13-1-0010), NIH CA100324, PPG CA100324 и Программа комплексной обработки изображений.
Materials
| 155 kDa dextran-tetramethylrhodamine isothiocyanate | Sigma Aldrich | T1287 | reconstitute at 20 mg/mL in 1 X PBS |
| 70 kDa dextran-Texas Red | Life Technologies | D-1830 | reconstitute at 10 mg/mL in 1 X PBS |
| 10 kDa dextran-fluorescein isothyocyanate | Sigma Aldrich | FD10S | reconstitute at 20 mg/mL in 1 X PBS |
| Qdot 705 ITK Amino (PEG) Quantum Dots | Life Technologies | Q21561MP | Dilute 25 uL in 175 uL of 1 X PBS for injection |
| MMTV-PyMT mice | Jackson Laboratory | 2374 | |
| Csf1r-ECFP mice (Csf1r-Gal4/VP16,UAS-ECFP) | Jackson Laboratory | 26051 | |
| Csf1r-EGFP mice | Jackson Laboratory | 18549 | |
| 1 x PBS | Life Technologies | ||
| Isoethesia (isoflurane) | Henry Schein Animal Health | 50033 | 250 mL |
| Oxygen | AirTech | ||
| 1 mL syringe, tuberculin slip tip | BD | 309659 | |
| 30G x 1 (0.3 mm X 25 mm) needle | BD | 305128 | |
| Polyethylene micro medical tubing | Scientific Commodities Inc | BB31695-PE/1 | 0.28 mm I.D. X 0.64 mm O.D. |
| Microscope coverglass | Corning | 2980-225 | thickness 1.5, 22 X 50 mm |
| MouseOx oximeter, software and sensors | STARR Life Sciences | ||
| Laboratory tape | Fisher Scientific | 159015R | |
| soft rubber pad | McMaster-Carr | 8514K62 | Ultra-Soft Polyurethane Film, 3/16” Thick, 12" x 12", 40 Oo Durometer, Plain Back |
| hard rubber pad | McMaster-Carr | 8568K615 | High-Strength Neoprene Rubber Sheet 1/4" Thick, 12" X 12", 50A Durometer, |
| Microscope | Olympus | The microscope is a custom built two laser multiphoton microscope based on an Olympus IX-71 stand utilizing a 20x 1.05NA objective lens. | |
| 7-Punch set | McMaster-Carr | 3429A12 | , 1/4" to 1" Hole Diameter, for Hammer-Driven Hole Punch, |
Referenzen
- Gerlowski, L. E., Jain, R. K. Microvascular permeability of normal and neoplastic tissues. Microvasc Res. 31 (3), 288-305 (1986).
- Wang, H. -. L., Lai, T. W. Optimization of Evans blue quantitation in limited rat tissue samples. Sci Rep. 4, (2014).
- Dvorak, H. F. Rous-Whipple Award Lecture. How tumors make bad blood vessels and stroma. Am J Pathol. 162 (6), 1747-1757 (2003).
- Nagy, J. A., et al. Permeability properties of tumor surrogate blood vessels induced by VEGF-A. Lab Invest. 86 (8), 767-780 (2006).
- Egawa, G., et al. Intravital analysis of vascular permeability in mice using two-photon microscopy. Sci Rep. 3, (2013).
- Yuan, F., et al. Vascular permeability in a human tumor xenograft: molecular size dependence and cutoff size. Cancer Res. 55 (17), 3752-3756 (1995).
- Dellian, M., Yuan, F., Trubetskoy, V. S., Torchilin, V. P., Jain, R. K. Vascular permeability in a human tumour xenograft: molecular charge dependence. Br J Cancer. 82 (9), 1513-1518 (2000).
- Entenberg, D., et al. Setup and use of a two-laser multiphoton microscope for multichannel intravital fluorescence imaging. Nat Protocols. 6 (10), 1500-1520 (2011).
- Entenberg, D., et al. Imaging tumor cell movement in vivo. Curr Protoc Cell Biol. Chapter. 19, (2013).
- Patsialou, A., et al. Intravital multiphoton imaging reveals multicellular streaming as a crucial component of in vivo. cell migration in human breast tumors. Intravital. 2 (2), e25294 (2013).
- Gligorijevic, B., Bergman, A., Condeelis, J. Multiparametric classification links tumor microenvironments with tumor cell phenotype. PLoS Biol. 12 (11), e1001995 (2014).
- Roussos, E. T., et al. Mena invasive (MenaINV) promotes multicellular streaming motility and transendothelial migration in a mouse model of breast cancer. J Cell Sci. 13, 2120-2131 (2011).
- Harney, A. S., et al. Real-Time Imaging Reveals Local, Transient Vascular Permeability, and Tumor Cell Intravasation Stimulated by TIE2hi Macrophage-Derived VEGFA). Cancer Discov. 5 (9), 932-943 (2015).
- Robinson, B. D., et al. Tumor microenvironment of metastasis in human breast carcinoma: a potential prognostic marker linked to hematogenous dissemination. Clin Cancer Res. 15, 2433-2441 (2009).
- Sasmono, R. T., et al. A macrophage colony-stimulating factor receptor-green fluorescent protein transgene is expressed throughout the mononuclear phagocyte system of the mouse. Blood. 101 (3), 1155-1163 (2003).
- Ovchinnikov, D. A., et al. Expression of Gal4-dependent transgenes in cells of the mononuclear phagocyte system labeled with enhanced cyan fluorescent protein using Csf1r-Gal4VP16/UAS-ECFP double-transgenic mice. J Leukcocyte Biol. 83 (2), 430-433 (2008).
- Liu, H., et al. Cancer stem cells from human breast tumors are involved in spontaneous metastases in orthotopic mouse models. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (42), 18115-18120 (2010).
- Nakasone, E. S., Askautrud, H. A., Egeblad, M. Live imaging of drug responses in the tumor microenvironment in mouse models of breast cancer. J Vis Exp. (73), (2013).
- Weis, S., Cui, J., Barnes, L., Cheresh, D. Endothelial barrier disruption by VEGF-mediated Src activity potentiates tumor cell extravasation and metastasis. J Cell Biol. 167 (2), 223-229 (2004).
- Wyckoff, J., Gligorijevic, B., Entenberg, D., Segall, J., Condeelis, J. High-Resolution Multiphoton Imaging of Tumors. In Vivo. Cold Spring Harb Protoc. (10), (2011).
- Lathia, J. D., et al. Direct in vivo. evidence for tumor propagation by glioblastoma cancer stem cells. PLoS One. 6 (9), e24807 (2011).
- Nakasone, E. S., et al. Imaging tumor-stroma interactions during chemotherapy reveals contributions of the microenvironment to resistance. Cancer Cell. 21 (4), 488-503 (2012).
- Dreher, M. R., et al. Tumor vascular permeability, accumulation, and penetration of macromolecular drug carriers. J Natl Cancer Inst. 98 (5), 335-344 (2006).
- Wyckoff, J. B., et al. Direct visualization of macrophage-assisted tumor cell intravasation in mammary tumors. Cancer Res. 67 (6), 2649-2656 (2007).
- Chittajallu, D. R., et al. In vivo. cell-cycle profiling in xenograft tumors by quantitative intravital microscopy. Nat Methods. 12 (6), 577-585 (2015).
- Kedrin, D., et al. Intravital imaging of metastatic behavior through a mammary imaging window. Nat Methods. 5 (12), 1019-1021 (2008).
- Yano, S., et al. Spatial-temporal FUCCI imaging of each cell in a tumor demonstrates locational dependence of cell cycle dynamics and chemoresponsiveness. Cell Cycle. 13 (13), 2110-2119 (2014).
- Yang, M., Jiang, P., Hoffman, R. M. Whole-body subcellular multicolor imaging of tumor-host interaction and drug response in real time. Cancer Res. 67 (11), 5195-5200 (2007).
- Manning, C. S., et al. Intravital imaging reveals conversion between distinct tumor vascular morphologies and localized vascular response to Sunitinib. Intravital. 2 (1), 24790 (2013).
- Alexander, S., Koehl, G. E., Hirschberg, M., Geissler, E. K., Friedl, P. Dynamic imaging of cancer growth and invasion: a modified skin-fold chamber model. Histochem Cell Biol. 130 (6), 1147-1154 (2008).
- Brown, E. B., et al. In vivo. measurement of gene expression, angiogenesis and physiological function in tumors using multiphoton laser scanning microscopy. Nat Med. 7 (7), 864-868 (2001).
