濃縮細胞集団を生成し、細胞間コミュニケーションを調べるための簡単な方法：腫瘍微小環境のミミック
Summary
We adapted a permeable microporous membrane insert to mimic the tumor microenvironment (TME). The model consists of a mixed cell culture, allows simplified generation of highly enriched individual cell populations without using fluorescent tagging or cell sorting, and permits studying intercellular communication within the TME under normal or stress conditions.
Abstract
癌細胞と周囲の非癌性間質との間の早期の異な相互作用を理解することは、間質の活性化と腫瘍の微小環境（TME）の設立をもたらす事象を解明する上で重要です。 インビトロおよびTMEのインビボモデルにおけるいくつかが開発されています。しかし、一般的にこれらのモデルは、容易にさらなる研究のために、非摂動条件の下で、個々の細胞集団の単離を許可していません。この問題を回避するために、我々は、拡張共同用挿入物の膜の両側に、別々に密接成長高度に濃縮された細胞集団の簡単な生成を可能にする、まだ透過性微多孔膜インサートからなる細胞成長用基板を用いたin vitro TMEモデルを採用しています-culture回。このモデルを使用することによって、我々は以下の正常な二倍体のヒト線維芽細胞から大きく富化癌関連線維芽細胞（CAF）の集団を生成することができます蛍光タグ及び/又は細胞選別を使用せずに高転移性ヒト乳癌細胞との共培養（120時間）。さらに、インサートの細孔サイズを調節することによって、我々は開発の根底にあるメカニズムの調査を可能にする2異細胞集団間の細胞間コミュニケーション（ 例えば 、ギャップ結合コミュニケーション、分泌因子）のモード、のために制御することができますギャップ結合透過性の役割を含むTME、。このモデルは、癌間質開始、TMEの初期進化、および治療薬に対する癌細胞の応答に対する間質の調節作用につながる初期のイベントの我々の理解を高める上で貴重なツールとして機能します。
Introduction
腫瘍微小環境（TME）が共存するとホスト間質と一緒に進化する癌細胞で構成される非常に複雑なシステムです。この間質成分は、典型的には、線維芽細胞、筋線維芽細胞、内皮細胞、様々な免疫成分、ならびに細胞外マトリックス1で構成されています。重要な構成要素、この間質の、しばしば大部分は、活性化された線維芽細胞は、しばしば癌関連線維芽細胞または癌関連線維芽細胞（CAF）2,3と呼ばれています。通常、非活性化線維芽細胞とは異なり、CAFSは、乳房、前立腺、肺、膵臓、皮膚、結腸、食道癌などの多種多様な、腫瘍の開始、進行、血管新生、浸潤、転移、および再発4-11に寄与し、そして5,6,12-17卵巣。しかし、がんの病因全体でCAFSの寄与の正確な性質は、定義が不十分のまま。さらに、臨床的証拠は、CAFSの予後値を実証してきました、高品位の悪性疾患、治療の失敗、および全体的な予後不良10,18,19にその存在を関連付けます。
明らかに、CAF開発の開始イベントと同様に、TME内での役割を媒介する細胞間コミュニケーションの我々の理解を高め、患者の転帰を改善することができるエキサイティングな新しい治療標的と強化戦略を提供することができます。この目標に向かって、in vivoおよびde vitroモデルにおけるいくつかが開発されています。 in vivoでのアプローチで患者のTMEをより反映しているが、それらは腫瘍内との間の両方の巨大な複雑さと不均一性などの制限を、持っています。さらに、ヒト被験者からの腫瘍サンプルは、しばしば高度に発達したTMEを表し、TME開始イベントの理解を許可していません。実験動物研究は、しかし、ヒトへの動物のデータの一般化が原因でphysiの違いに注意して行う必要があります、いくつかの利点を提供しますこのような齧歯類（ 例えば、チオール化学20、 代謝率21 などのストレス22、に対する耐性）などの人間と動物の間に学問。また、自然の中で遺伝的に不均質である人間集団とは異なり、実験動物は、一般的に均一になるまで飼育されています。また、一過性の生理的変動および細胞表現型の変化を調べるために、ならびにげっ歯類などの動物を使用して、特定の実験パラメータを制御することがしばしば困難です。したがって、 インビトロ 2-および3次元（2Dおよび3D）組織培養モデルで頻繁TME開発の基本的な理解を進めるために利用されます。 インビボでのシステムの複雑さの正確な描写の欠如にもかかわらず、これらのモデルは、非常に機械的調査を容易にする利点を提供する。 インビトロモデルは、TMEのより単純化着目し、費用対効果の分析のために、それによって統計学的に有意な可能データを、生成することができます動物で起こる全身ばらつきのない細胞。
インビトロ系のいくつかの種類があります。 2つの最も一般的に使用TME in vitroモデルは、混合単層又はスフェロイド細胞培養物で構成されています。両方の培養方法は、細胞間の相互作用の基本的な研究（腫瘍細胞と、例えば、正常細胞）および種々のTME特定の細胞表現型の変化（正常線維芽細胞からの癌関連線維芽細胞の、例えば 、出現）の分析のために有利です。加えて、スフェロイドはTMEをより反映組織様構造を作成することができ、腫瘍異質23を表すことができます。しかし、スフェロイドは、多くの場合、実験の結論24を複雑にする可能性がある層全体で幅広く変化する酸素張力勾配を作り出します。残念ながら、両方のモデルは非常に共同以下のさらなる特性評価および研究のために純粋な細胞集団を分離する能力が制限されています文化。これを行うには、蛍光タグ付きまたは特定メーカーで標識するために少なくとも1つの細胞型を必要とし、その後、細胞集団を分離するために仕分け広範な処理し、細胞に混合共培養を施すことになります。セルソーターではなく、純粋な細胞集団を単離することができるが、1は、細胞ストレスと潜在的な微生物汚染25を危険を認識しなければなりません。
細胞間コミュニケーションの理解を容易にするため、多大な努力を開発し、簡単なアプローチを可能にしながら密接に、 生体内環境を模倣するインビトロシステムに最適化に向けて専念してきました。そのようなツールの一つは、透過性の微多孔性インサート、最初の1953年に26を開発し、その後、多様なアプリケーションとの研究（ 例えば 、細胞極性27、エンドサイトーシス28、薬物輸送29、組織モデリング30に適合された膜基材、FERTですilization 31、バイスタンダー効果32,33、 など ）。このシステムは、34,35、インビボマーカーの インビボ様の解剖学的および機能的分化、ならびに多くの発現を有する細胞の増殖を可能にするときに不浸透性のプラスチック容器で培養観察されません。また、非常に薄い多孔質膜（厚さ10μm）は、 生体内環境をシミュレートし、両方の頂端および側底細胞ドメインで独立した細胞機能を可能にする分子と平衡時間の急速な普及を可能にします。 TMEシステムなどの挿入物の有用性のさらなる利点は、膜の孔を通って細胞間コミュニケーションの様々なモードを維持しながら、同じ環境条件で膜の両側に成長させた2異型細胞集団の物理的な分離です。物理的に分離されているが、2つの細胞集団は、代謝的にデとして、分泌された要素を介して結合され、また、ギャップジャンクションチャネルを介して、ここにスクライビング。さらに、in vivoでの部分的な酸素分圧（PO 2）で挿入を維持することによって、モデルは、他のシステムで観察された酸素と化学的勾配の合併症を減らすことができます。むしろ、それはTMEを制御する自然のメカニズムの理解を向上させます。注目すべきことに、2つの細胞集団を容易に共培養の長期間以下の蛍光タグ付けおよび/または細胞選別せずに、高純度で単離することができます。
ここでは、膜の孔を通って連続的な双方向通信ではまだヒト乳癌細胞透過性微孔質膜インサートの両側に、それぞれ、成長したヒト線維芽細胞からなるインビトロ TMEプロトコルを説明するが、。我々は、開発に異なる孔径を有する膜を使用することによって、細胞間コミュニケーションの特定のタイプの寄与（ 例えば 、ギャップ結合対因子を分泌した）ことを示していますTMEの調査することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明するプロトコルは、透過性の微多孔膜インサートが異細胞の共培養物から高度に濃縮された個々の細胞集団を生成するために利用する、単純なインビトロ手順の適合（ 図1）です。重要なことは、このモデルは細胞間コミュニケーションの様々なモードを調査するのに適しています。重要なステップは、上面側の第2の細胞集団を播種し、50％FBSを補充した…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by grants from the New Jersey Commission on Cancer Research (Pre-Doctoral Fellowship DFHS13PPCO17), the National Institutes of Health (CA049062), and the National Aeronautics and Space Administration (NNX15AD62G).
Materials
| For Cell Culture | |||
| AG01522 (i.e., AG1522) human diploid fibroblast | Coriell | 107661 | Passage 8-13 |
| MDA-MB-231-luc-D3H1 breast adenocarcinoma cell line | PerkinElmer | 119261 | Parental line: ATCC (#HTB-26) |
| MDA-MB-231/GFP breast adenocarcinoma cell line | Cell Biolabs | AKR-201 | |
| Eagle's minimal essential medium (MEM) | Corning Cellgro | 15-010-CV | |
| Fetal Bovine Serum (FBS), Qualified | Sigma | F6178-500mL | |
| Corning Glutagro Supplement (200mM L-alanyl-L-glutamine) | Corning Cellgro | 25-015-Cl | |
| Penicillin Streptomycin Solution, 100X | Corning Cellgro | 30-002-Cl | |
| Transwell Insert (i.e., permeable microporous membrane insert) (0.4 μm pore) | Costar | 3450 | |
| Transwell Insert (i.e., permeable microporous membrane insert) (1 μm pore) | Greiner bio-one | 657610 | |
| Transwell Insert (i.e., permeable microporous membrane insert) (3 μm pore) | Costar | 3452 | |
| 6-well Culture Plate | Greiner Bio-One Cellstar | 657160-01 | |
| 75 cm2 cell culture flask | CellStar | 658 170 | |
| Phosphate-Buffered Saline (PBS), 1X | Corning Cellgro | 21-040-CV | without calcium & magnesium |
| 0.25% (vol/vol) Trypsin, 2.21 mM EDTA, 1X | Corning Cellgro | 25-053-Cl | |
| 15 mL Centrifuge Tube | CellTreat | 229411 | |
| 35 x 10 mm Cell Culture Dish | Greiner bio-one | 627 160 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| For Immunofluorescent Microscopy | |||
| Mouse anti-Caveolin 1 | BD Transduction Laboratories | 610406 | In situ Immunofluorescence – 1:5000 |
| Goat anti-Mouse IgG (H+L) Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | ThermoFisher Scientific | A-11029 | In situ Immunofluorescence – 1:2000 |
| Bovine Serum Albumin – Fraction V | Rockland | BSA-50 | Immunoglobulin and protease free |
| 16% (wt/vol) Formaldehyde Solution | ThermoFisher Scientific | 28908 | Dilute to 4% with 1X PBS |
| Premium Cover Glass (22×22 mm No.1) | Fisher | 12548B | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787-50ML | |
| SlowFade Gold antifade reagent with DAPI | Invitrogen | S36938 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| For Flow Cytometric Analysis | |||
| Calcein, AM | Molecular Probes | C3100MP | |
| Hanks' Balanced Salt Solution (HBSS) | Gibco | 14025-076 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| For Western Blot Analysis | |||
| Mouse anti-Caveolin 1 | BD Transduction Laboratories | 610406 | Western Blot – 1:10000 |
| Tween-20 | BioRad | 170-6531 | |
| Nitrocellulose Membrane (0.2 μm) | BioRad | 162-0112 | |
| Western Lightning Plus-ECL | PerkinElmer | NEL104001EA | |
| BioRad DC Protein Assay | BioRad | 500-0116 | |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | BioRad | 161-0302 | |
| Sodium deoxycholate monohydrate (DOC) | Sigma | D5670 | |
| IGEPAL CA-630 (NP40) | Sigma | I8896 | |
| 30% Acrylamide/Bis Solution, 37.5:1 | BioRad | 161-0158 |
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