La cuantificación de la invasividad de las células del cáncer de mama El uso de un modelo (3D) Tres Dimensiones
Summary
Este artículo proporciona metodologías detalladas para el uso de ensayos (3D) en tres dimensiones para cuantificar la invasión de células de cáncer de mama. En concreto, se discuten los procedimientos necesarios para configurar este tipo de ensayos, la cuantificación y el análisis de datos, así como los métodos para examinar la pérdida de integridad de la membrana que se produce cuando las células invaden.
Abstract
Ahora es bien conocido que el microambiente celular y tisular son reguladores críticos que influyen en la iniciación del tumor y la progresión. Por otra parte, la matriz extracelular (ECM) se ha demostrado que es un regulador crítico de comportamiento de las células en cultivo y la homeostasis in vivo. El enfoque actual de cultivo de células en dos dimensiones (2D), las superficies de plástico resulta en la alteración y la pérdida de interacciones complejas entre las células y su microambiente. Mediante el uso de tres dimensiones (3D) de ensayos de cultivo, se establecieron las condiciones para la interacción de células-microambiente se asemeja a la microentorno in vivo. Este artículo proporciona una metodología detallada para hacer crecer células de cáncer de mama en una matriz de proteína de membrana basal 3D, que ejemplifica el potencial de la cultura 3D en la evaluación de la invasión de células en el medio ambiente circundante. Además, se discutirá cómo estos ensayos 3D tienen el potencial para examinar la pérdida de señalización molecdulos que regulan la morfología del epitelio mediante inmunotinción procedimientos. Estos estudios ayudan a identificar importantes detalles mecanicistas de los procesos que regulan la invasión, necesarios para la propagación del cáncer de mama.
Introduction
La migración y la invasión de células individuales o colectivos son dos características del cáncer, y necesarios para la diseminación metastásica de células de cáncer de 1-4. La capacidad de las células de los cánceres de iniciar la metástasis depende de su capacidad para migrar e invadir en el tejido vecino usando invadopodia para degradar la membrana basal de las células. Invadopodia son protuberancias degradación de la matriz de actina-rica dinámicos que permiten la degradación de la matriz extracelular a través de la liberación de proteasas que degradan la matriz 5. La invasión de células del cáncer implica la degradación de la matriz, seguido de la migración de las células cancerosas y esto va acompañado por una reorganización del medio ambiente matriz tridimensional (3D) 2. Por lo tanto, para penetrar a través de la matriz, una célula debe transformar su forma y interactuar con la matriz extracelular (ECM) 2.
El mantenimiento de la integridad del tejido mamario depende fuertemente controlled arquitectura del tejido desde las uniones célula-ECM y célula-célula de adhesión influyen en la expresión génica y la interrupción de la polaridad epitelial puede conducir a la aparición de cáncer de 6-10. Sin embargo, la mayoría vitro de migración y la invasión ensayos in como transwell ensayos de cámara de ensayos o herida-scratch son de dos dimensiones (2D) y por lo tanto éstos descuidan las intrincadas interacciones entre las células y su entorno adyacente 3,6,8,11-14. Diversidades morfológicas y funcionales considerables tales como las variaciones en la morfología celular, la diferenciación celular, las adherencias célula-matriz y patrones de expresión génica han sido detectadas por el cultivo de células en los cultivos 3D que faltan comúnmente en 2D ensayos 2,6,8,11. Por lo tanto, los usos de los ensayos en 3D están significativamente beneficioso en la recapitulación de una forma más fisiológica es condiciones in vivo, lo que lleva a una mejor transposición de los resultados innovadores en la investigación básica a la clínica 6-10. Sin embargo, hay que señalar, A pesar de las muchas ventajas que se obtienen con el uso de cultivos 3D, este modelo no puede capturar todas las complejidades de la microambiente del tumor in vivo en que incluye diversos tipos de células. Sin embargo, es posible incorporar las células del estroma en los modelos 3D (por ejemplo, fibroblastos, leucocitos, y macrófagos) para estudiar el efecto de las interacciones tumor-estroma sobre la adhesión de células de cáncer y la invasión 15-17.
Células epiteliales de mama en cultivo crecen con mayor eficacia cuando las proteínas ECM, como la laminina y el colágeno están presentes. Con esta conocida, una mezcla de la matriz disponible comercialmente se ha derivado de Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) del tumor murino y se conoce como matriz de la membrana de Matrigel sótano 2,8. Un número de técnicas se han establecido para hacer crecer células epiteliales como colonias 3D en la matriz de la membrana basal 2,8. El modelo de matriz de membrana basal 3D es eficaz para el establecimiento de células de mama tanto maligno y no malignocrecimiento, parecido a lo que está ocurriendo en el entorno in vivo 18,19. Células MCF10A son células epiteliales mamarias no malignas. Cuando se cultiva en la matriz de la membrana basal, estas células exhiben es los rasgos in vivo de las células normales del seno y se someten a control de la proliferación celular, la polarización celular y la apoptosis de establecer el espacio lumen 8,12,20. Además, la aparición de núcleos celulares de las células MCF10A que forman acinos en cultivos 3D se asemejan más a las de las células epiteliales mamarias en el tejido que las cultivadas en monocapa 21. Los estudios realizados por Bissell y sus colegas fueron los primeros en revelar que las células malignas de mama pueden diferenciarse de células de mama no malignas cuando se cultiva en un entorno de laminina-rica, ya que las células malignas muestran un fenotipo altamente desorganizado, aumento de la proliferación, la disminución de la célula-a- la adhesión celular, aumento de la expresión de marcadores mesenquimales y un aumento en el número de estructura invasiva formaron 3,6,22.
Anomalías del entorno celular pueden influir en la formación de tumores 20. El método de cultivo 3D se puede utilizar para estudiar con eficacia la comunicación que se produce entre las células tumorales y su ambiente circundante y determinar cómo influye en la expresión de proteínas tales 14,20,21,23 comunicación. En este artículo se presenta una metodología detallada para crecer MDA-MB-231 células de cáncer de mama en las culturas 3D para analizar la invasividad, y para estudiar la pérdida de la morfología epitelial utilizando un laminina marcadores epiteliales, un componente de la membrana basal de células 18,19,24, 25. Los procedimientos detallados proporcionan la capacidad de cuantificar con precisión y de manera reproducible estrelladas (invasiva) formación de la estructura por cualquier célula de cáncer invasivo y no es limitante para las líneas celulares de cáncer de mama común (tales como MDA-MB-231, Hs578T, MCF-7, o T47D ). Por lo tanto, este ensayo puede servir como una plataforma para la evaluación de cómo la expresión de proteínas en las células o el tratamiento con pro-o anti-compuestos invasivos regular degradación de la matriz extracelular, por las células individuales o múltiples.
Protocol
Representative Results
Discussion
El desarrollo de técnicas de cultivo de células en 3D ha permitido a los investigadores estudiar la transformación de células epiteliales de mama, lo que nos permite visualizar los dramáticos cambios morfológicos. Además de analizar la invasión de células, los esferoides epiteliales mamarias individuales o multicelulares pueden usarse para evaluar los cambios en la adhesión celular, la proliferación, el tamaño, y la polaridad basal-apical. En contraste con las metodologías reportadas previamente donde las c…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was conducted with funds to M.B. from the Canadian Institutes of Health Research (CIHR) grant MOP 107972. M.B. is a recipient of a CIHR New Investigator Salary Award. D.C. is a recipient of studentships from the Translational Breast Cancer Research Unit and the CIHR Strategic Training Program in Cancer Research and Technology Transfer, London Regional Cancer Program. C.G. is recipient of studentships from the Translational Breast Cancer Research Unit, London Regional Cancer Program and from the CIHR- Strategic Training Program in Cancer Research and Technology Transfer. SGD.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 1.5 mL tubes | VWR | CA10011-700 | Sterile, disposable |
| 100-mm culture dish BD353003 | VWR | CABD353003 | Sterile, disposable |
| 15 mL Falcon tube | VWR | CA21008-918 | Sterile, disposable |
| 1 mL filtered tips | VWR | 10011-350 | Sterile, disposable |
| 200 uL filtered tips | VWR | 22234-016 | Sterile, disposable |
| 20 uL filtered tips | VWR | 22234-008 | Sterile, disposable |
| 35-mm glass-bottomed Confocal No.1 culture dishes | MatTek Corporation | P35G-1.0-14-C | Precooled before use |
| Bovine serum albumin (BSA) | BioShop | ALB003.100 | Used at 3% for IF |
| Alexa Fluor 488 Goat Anti-Mouse IgG (H+L) Antibody, highly cross-adsorbed | Life Technologies | A11029 | 1:250 for IF |
| Alexa Fluor 568 Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) Antibody | Life Technologies | A11011 | 1:1200 for IF |
| Anti-Beta-Catenin | BD Transduction Laboratories | 610153 | Mouse-monoclonal; Used at 1:100 for IF |
| Fetal bovine serum (FBS) | Sigma | F1051 | Used at 10% (v/v) |
| Hoechst 33258, Pentahydrate (bis-Benzimide) – 10 mg⁄mL Solution in Water | Life Technologies | H3569 | Used at 0.1% (1:10000 dilution) |
| InVivo Analyzer Suite | Media Cybernetics | Used for 3D culture imaging (DIC images at 10x and 40x) | |
| Kisspeptin-10 (KP-10) | EZ Biolabs | PT0512100601 | Used at 100nM |
| Anti-Laminin | Cedarlane | AB19012(CH) | Rabbit-polyclonal full length human; Used at 1:100 for IF |
| LSM-510 META laser scanning microscope | Zeiss | Used at 63X objective; oil immersion lens | |
| Matrigel phenol red free (BD356237) | VWR | CACB356237 | Lot No.2180819; 10.4 mg/mL |
| Olympus IX-81 microscope | Olympus | Used for 3D culture imaging (DIC images at 10x and 40x) | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140-122 | Antibiotic (added to media; used at 0.01%) |
| 10 mL pipet | VWR | CA53300-523 | Sterile, disposeable |
| RPMI 1640 Medium with Glutamine | Life Technologies | 11875-119 | Used for culturing of MDA-MB-231 cells |
| 0.25% Trypsin-EDTA (1X), Phenol Red | Life Technologies | 25200-072 | Used to trypsinize MDA-MB-231 cells |
| MEGM (bullet kit): MEBM (CC3151)+Single quots (CC4136) | Lonza | CC-3150 | Used for culturing of MCF10A cells |
Referencias
- Chambers, A. F., Groom, A. C., MacDonald, I. C. Dissemination and growth of cancer cells in metastatic sites. Nat Rev Cancer. 2, 563-572 (2002).
- Kramer, N., et al. In vitro cell migration and invasion assays. Mutat Res. 752, 10-24 (2013).
- Shaw, K. R., Wrobel, C. N., Brugge, J. S. Use of three-dimensional basement membrane cultures to model oncogene-induced changes in mammary epithelial morphogenesis. J Mammary Gland Biol Neoplasia. 9, 297-310 (2004).
- Eccles, S. A., Welch, D. R. Metastasis: recent discoveries and novel treatment strategies. Lancet. 369, 1742-1757 (2007).
- Poincloux, R., Lizarraga, F., Chavrier, P. Matrix invasion by tumour cells: a focus on MT1-MMP trafficking to invadopodia. Journal of cell science. 122, 3015-3024 (2009).
- Bissell, M. J., Labarge, M. A. Context, tissue plasticity, and cancer: are tumor stem cells also regulated by the microenvironment. Cancer Cell. 7, 17-23 (2005).
- Burgstaller, G., Oehrle, B., Koch, I., Lindner, M., Eickelberg, O. Multiplex Profiling of Cellular Invasion in 3D Cell Culture Models. PLoS One. 8, (2013).
- Debnath, J., Muthuswamy, S. K., Brugge, J. S. Morphogenesis and oncogenesis of MCF-10A mammary epithelial acini grown in three-dimensional basement membrane cultures. Methods. 30, 256-268 (2003).
- Mroue, R., Bissell, M. J. Three-dimensional cultures of mouse mammary epithelial cells. Methods Mol Biol. 945, 221-250 (2013).
- Vidi, P. A., Bissell, M. J., Lelievre, S. A. Three-dimensional culture of human breast epithelial cells: the how and the why. Methods Mol Biol. 945, 193-219 (2013).
- Bissell, M. J., Rizki, A., Mian, I. S. Tissue architecture: the ultimate regulator of breast epithelial function. Curr Opin Cell Biol. 15, 753-762 (2003).
- Debnath, J., et al. The role of apoptosis in creating and maintaining luminal space within normal and oncogene-expressing mammary acini. Cell. 111, 29-40 (2002).
- Weaver, V. M., Bissell, M. J. Functional culture models to study mechanisms governing apoptosis in normal and malignant mammary epithelial cells. J Mammary Gland Biol Neoplasia. 4, 193-201 (1999).
- Weaver, V. M., Howlett, A. R., Langton-Webster, B., Petersen, O. W., Bissell, M. J. The development of a functionally relevant cell culture model of progressive human breast cancer. Semin Cancer Biol. 6, 175-184 (1995).
- Kenny, H. A., Krausz, T., Yamada, S. D., Lengyel, E. Use of a novel 3D culture model to elucidate the role of mesothelial cells, fibroblasts and extra-cellular matrices on adhesion and invasion of ovarian cancer cells to the omentum. Int J Cancer. 121, 1463-1472 (2007).
- Cougoule, C., et al. Blood leukocytes and macrophages of various phenotypes have distinct abilities to form podosomes and to migrate in 3D environments. European journal of cell biology. 91, 938-949 (2012).
- Sung, K. E., et al. Understanding the Impact of 2D and 3D Fibroblast Cultures on In Vitro Breast Cancer Models. PLoS One. , (2013).
- Li, T. T., et al. Beta-arrestin/Ral signaling regulates lysophosphatidic acid-mediated migration and invasion of human breast tumor cells. Mol Cancer Res. 7, 1064-1077 (2009).
- Zajac, M., et al. GPR54 (KISS1R) transactivates EGFR to promote breast cancer cell invasiveness. PLoS One. 6, (2011).
- Underwood, J. M., et al. The ultrastructure of MCF-10A acini. J Cell Physiol. 208, 141-148 (2006).
- Lelievre, S. A., et al. Tissue phenotype depends on reciprocal interactions between the extracellular matrix and the structural organization of the nucleus. Proc Natl Acad Sci U S A. 95, 14711-14716 (1998).
- Petersen, O. W., Ronnov-Jessen, L., Howlett, A. R., Bissell, M. J. Interaction with basement membrane serves to rapidly distinguish growth and differentiation pattern of normal and malignant human breast epithelial cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 89, 9064-9068 (1992).
- Weaver, V. M., et al. beta4 integrin-dependent formation of polarized three-dimensional architecture confers resistance to apoptosis in normal and malignant mammary epithelium. Cancer Cell. 2, 205-216 (2002).
- Cvetkovic, D., et al. KISS1R Induces Invasiveness of Estrogen Receptor-Negative Human Mammary Epithelial and Breast Cancer Cells. Endocrinology. , 1999-2014 (2013).
- Alemayehu, M., et al. beta-Arrestin2 regulates lysophosphatidic acid-induced human breast tumor cell migration and invasion via Rap1 and IQGAP1. PLoS One. , (2013).
