Summary

应用肺转移法研究骨肉瘤转移性肺定植的实用思考

Published: March 12, 2018
doi:

Summary

本文的目的是为肺转移试验 (美洲狮) 的协议提供详细的描述。该模型允许研究人员使用 widefield 荧光或共聚焦激光扫描显微镜研究肺组织中的转移性骨肉瘤 (OS) 细胞生长。

Abstract

肺转移试验 (彪马) 是一种体外肺外植体和封闭细胞培养系统, 允许研究人员通过荧光显微镜研究骨肉瘤 (OS) 的肺定植生物学. 本文详细描述了该协议, 并讨论了使用 widefield 或共聚焦荧光显微镜平台获取转移生长图像数据的示例。美洲狮模型的灵活性使研究人员不仅可以研究在肺部微环境中的 OS 细胞的生长, 而且还可以评估随着时间推移抗转移治疗的效果。共焦显微镜允许前所未有的高分辨率成像的 OS 细胞相互作用的肺实质。此外, 当美洲狮模型与荧光染料或荧光蛋白基因记者相结合时, 研究人员可以对转移的 OS 细胞的肺微环境、细胞和亚型结构、基因功能和启动子活动进行分析。美洲狮模型提供了一个新的工具, 骨肉瘤研究人员发现新的转移生物学和评估活动的新型抗转移, 靶向治疗。

Introduction

改善儿童转移性骨肉瘤 (OS) 患者的预后仍然是一个关键的未满足的临床需要1。这突出了发展新的分子靶向治疗的重要性。常规化疗靶向肿瘤细胞增殖没有证明是有效的治疗转移性疾病, 因此, 新的战略必须针对转移过程本身2。本文讨论了一种相对较新型的体外肺转移模型、门多萨和同事 3开发的肺转移试验 (彪马) 的实际应用, 为发现新的操作系统中肺转移进展的分子驱动程序4,5。然而, 在继续之前, 应该谨慎地简单地接触几种目前的转移模型, 以及美洲狮模型如何比传统的体外检测提供了一些优势。

大多数用于研究转移的实验模型包括体外体内系统, 它概括了转移级联的特定步骤或几个步骤。这些步骤包括: 1) 肿瘤细胞从原发肿瘤转移到附近的血管 (血液或淋巴) 和转运内的中转, 3) 在第二部位的拘捕, 4) 在次生部位的渗出和存活, 5) 形成淋巴结和 6) 成长为血管化转移 (图 1)。体外模型的转移可以包括2维 (2D) 迁移和3维 (3D) 胶入侵检测, 并在其他地方详细审查6。对于体内模型, 两种常用的模型系统包括: 1)自发性转移模型是将肿瘤细胞原位注射到特定组织类型中, 形成局部肿瘤, 自发地脱落转移细胞。到遥远的地点;2)实验性转移模型是将肿瘤细胞注入靶器官上游血管的地方。例如, 肿瘤细胞的尾静脉注射导致发展肺转移瘤5,7,8。其他实验性转移模型包括将肿瘤细胞注入脾脏或肠系膜静脉, 导致肝转移的发展9,10。韦尔奇11详细讨论了这些体内模型的实际注意事项。另一个用于研究小儿肉瘤转移的体内模型是肾肾包膜下肿瘤植入模型, 它导致局部肿瘤形成和自发转移到肺部12, 13.更技术上苛刻的技术, 如活体 videomicroscopy 可以直接可视化, 实时, 转移癌细胞与转移部位 (即肺或肝脏) 的微血管的相互作用, 如麦克唐纳14和 Entenberg15, 或胚膜中的癌细胞渗出, 如 Kim 16所述。

美洲狮模型是一个前体,肺组织外植体, 封闭培养系统, 其中荧光肿瘤细胞的生长可以通过荧光显微镜在一个月内纵向观察 (见图 2A)。该模型概括肺定植的初始阶段 (步骤3至 5) 在转移级联。美洲狮模型优于传统的体外模型的一些主要优势是: 1) 它提供了一个机会, 纵向测量转移癌细胞生长在3D 微环境中, 保留许多特点的肺部微环境在体内 3;2) 美洲狮允许研究人员评估在3D 肺微环境下, 候选基因或药物治疗的击倒是否具有抗转移活性;3) 美洲狮模型具有多种类型的荧光显微平台 (图 2B) 的灵活性, 如 widefield 荧光显微镜或激光扫描共焦显微术, 其中的示例显示在图 2C & D中,分别.本文将讨论如何使用美洲狮模型获得的纵向成像数据的转移生长的增强绿色荧光蛋白 (eGFP) 表达, 人高和低转移性骨肉瘤细胞 (MNNG 和居屋细胞, 分别) 使用低放大 widefield 荧光。用共聚焦激光扫描显微镜对美洲狮模型中的线粒体进行标记的荧光染料的成像实例, 并对其进行了研究。

Protocol

获得影像数据的所有动物协议均经国家卫生研究院国家癌症研究所动物护理和使用委员会批准。在文章视频中讨论和描述的所有动物协议都已被英属哥伦比亚大学动物保育委员会批准。 1. 注射用肿瘤细胞和美洲狮模型材料的制备 注意: 对于1鼠标, 解决方案和单元格的数量将足够。如果在研究中使用更多的小鼠, 就需要扩大。对于媒体食谱, 请参阅表 1<…

Representative Results

低放大 widefield 荧光显微术 对于美洲狮肺切片的 widefield 荧光显微镜, 有代表性的图像和量化数据显示在图 2C中,图 4A和B。转移倾向为高和低转移的细胞线在视觉上是明显的在进步时间点。MNNG 细胞可以有效地对肺组织进行殖民, 而居屋细胞根本不能生?…

Discussion

以下技术文章描述了美洲狮模型在研究 OS 中肺定植的一些实用方面。在《议定书》中, 研究人员应格外注意的一些关键步骤包括以下几个方面:

a) 气管插管。气管在解剖周围的肌肉和结缔组织时容易受损。此外, 导管针可以很容易地通过气管。在插入套管时要密切注意针的斜角如何进入气管。

b) 刺穿或损害肺部的表面。肺可以很容易刺穿或损坏的解剖剪刀…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们要感谢 Arnulfo 门多萨博士, 他提供了美洲狮技术的训练。 此外, 我们还要承认 Drs. 卡拉姆·昌德·沃赫拉肯纳, 苏珊. 加菲尔德 (NIH) 和 Sam 加亚尔多·阿帕里西奥 (BC 癌症机构) 在本研究过程中提供他们的显微镜使用。这项研究是支持 (部分) 由国家卫生研究院的内部研究计划, 癌症研究中心, 儿科肿瘤科。M.M.L. 得到美国国立卫生研究院 (15335 奖) 的支持, 目前在转移研究中得到了琼帕克奖学金的支持。P.H.S. 得到不列颠哥伦比亚省癌症基金会的支持。

Materials

Table 2
Cell culture reagents for A-media, B-media, and complete media
MNNG-HOS ATCC CRL-1547 highly metastatic OS cell line
HOS ATCC CRL-1543 poorly metastatic OS cell line
MG63.3 Amy LeBlanc Laboratory (NCI) N/A highly metastatic OS cell line
MG63 ATCC CRL-1427 poorly metastatic OS cell line
10X M199 media Thermofisher 11825015 Base media for A-media and B-media
Distilled Water (sterilized) Thermofisher 15230-147 Component of A-media & B-media
7.5% sodium bicarbonate solution Thermofisher 25080094 Component of A-media & B-media
Hydrocortizone Sigma-Alrich H6909 Component of A-media & B-media
Retinol acetate-water soluable Sigma-Alrich R0635-5MG Component of A-media & B-media
Penicillin/Streptomycin 10X concentrated (10000 U/ml) solution Thermofisher 15140122 Component of A-media & B-media, complete media.
Bovine insulin solution (10mg/ml) Sigma-Alrich I0516-5ML Component of A-media & B-media
DMEM, high glucose Thermofisher 11965092 Base media of Complete Media
L-Glutamine (200 mM) Thermofisher 25030081 Component of Complete Media
Fetal Bovine Serum Thermofisher 16000044 Component of Complete Media
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline Thermofisher 14190144 Used in cell culture.
Hank’s Buffered Salts Solution, no calcium, no magnesium, no phenol red Thermofisher 14175095 Used to resuspend cell pellet prior to injection
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red Thermofisher 25200114 Used in cell culture.
DAR4M Enzo ALX-620-069-M001 Used to label lung parenchyma.
Name Company Catalog Number Comments
Table 3
Materials for PuMA
Zeiss 710 Confocal LSM Zeiss N/A Upright LSM confocal microscope
Zeiss 780 Confocal LSM Zeiss N/A Inverted LSM confocal microscope
SCID mice Charles River N/A NOD.CB17-Prkdcscid/NcrCrl, female, age 6-8 weeks
GelFoam Harvard Apparatus 59-9863 Used as a support for lung tissue sections.
SeaPlaque Agarose Lonza 50100 Used during insufflation of the lung.
1 ml syringe with 27 gauge needle Fisherscientific 14-826-87 Used for tail vein injection.
10 ml syringe BD 309604 Used for insufflation of the lung.
20 gauge catheter Terumo SR-OX2032CA Used during insufflation of the lung.
Abbott IV extension set (30", Sterile) Medisca 8342 Used during insufflation of the lung.
Alcohol swabs BD 326895 For wiping tail vein before injection
Sterile surgical gloves Fisherscientific Varies with size Asceptic handing of mouse lungs
30 cm ruler Staples Used for insufflation of the lung.
Support stand for ruler Pipette.com HS29022A Used for insufflation of the lung.
35 mm glass-bottomed culture dish Ibidi 81158 Used during imaging of lung slices
Absorbent Underpads with Waterproof Moisture Barrier VWR 56617-014 Used to line the sterile work area in the biological hood.
Catgut Plain Absorbable Suture Braun N/A Used to tie off cannulated trachea.
Name Company Catalog Number Comments
Table 4
Surgical instruments for PuMA
Micro Dissecting Scissors 3.5" Straight Sharp/Sharp Roboz RS-5910 For cutting lung sections
4” (10 cm) Long Serrated Straight Extra Delicate 0.5mm Tip Roboz RS-5132 For manipulating/holding lung sections.
4” (10 cm) Long Serrated Slight Curve 0.8mm Tip Roboz RS5135 For manipulating/holding lung sections.
Thumb Dressing Forceps; Serrated; Delicate; 4.5" Length; 1.3 mm Tip Width Roboz RS-8120 For general dissection.
Thumb Dressing Forceps 4.5" Serrated 2.2 mm Tip Width Roboz RS-8100 For general dissection.
Extra Fine Micro Dissecting Scissors 3.5" Straight Sharp/Sharp, 20mm blade Roboz RS-5880 For general dissection.
Knapp Scissors; Straight; Sharp-Blunt; 27mm Blade Length; 4" Overall Length Roboz RS-5960 For general dissection.

References

  1. Khanna, C., et al. Toward a drug development path that targets metastatic progression in osteosarcoma. Clin Cancer Res. 20 (16), 4200-4209 (2014).
  2. Steeg, P. S. Perspective: The right trials. Nature. 485 (7400), S58-S59 (2012).
  3. Mendoza, A., et al. Modeling metastasis biology and therapy in real time in the mouse lung. J Clin Invest. 120 (8), 2979-2988 (2010).
  4. Hong, S. H., Ren, L., Mendoza, A., Eleswarapu, A., Khanna, C. Apoptosis resistance and PKC signaling: distinguishing features of high and low metastatic cells. Neoplasia. 14 (3), 249-258 (2012).
  5. Lizardo, M. M., et al. Upregulation of Glucose-Regulated Protein 78 in Metastatic Cancer Cells Is Necessary for Lung Metastasis Progression. Neoplasia. 18 (11), 699-710 (2016).
  6. Pouliot, N., Pearson, H. B., Burrows, A. Investigating Metastasis Using In Vitro Platforms. Metastatic Cancer: Clinical and Biological Perspectives. , (2012).
  7. Cameron, M. D., et al. Temporal progression of metastasis in lung: cell survival, dormancy, and location dependence of metastatic inefficiency. Cancer Res. 60 (9), 2541-2546 (2000).
  8. Morrow, J. J., et al. mTOR inhibition mitigates enhanced mRNA translation associated with the metastatic phenotype of osteosarcoma cells in vivo. Clinical Cancer Research. , (2016).
  9. Varghese, H. J., et al. In vivo videomicroscopy reveals differential effects of the vascular-targeting agent ZD6126 and the anti-angiogenic agent ZD6474 on vascular function in a liver metastasis model. Angiogenesis. 7 (2), 157-164 (2004).
  10. Khanna, C., Hunter, K. Modeling metastasis in vivo. Carcinogenesis. 26 (3), 513-523 (2005).
  11. Welch, D. R. Technical considerations for studying cancer metastasis in vivo. Clin Exp Metastasis. 15 (3), 272-306 (1997).
  12. Somasekharan, S. P., et al. YB-1 regulates stress granule formation and tumor progression by translationally activating G3BP1. J Cell Biol. 208 (7), 913-929 (2015).
  13. El-Naggar, A. M., et al. Translational Activation of HIF1alpha by YB-1 Promotes Sarcoma Metastasis. Cancer Cell. 27 (5), 682-697 (2015).
  14. MacDonald, I. C., Groom, A. C., Chambers, A. F. Cancer spread and micrometastasis development: quantitative approaches for in vivo models. Bioessays. 24 (10), 885-893 (2002).
  15. Entenberg, D., et al. A permanent window for the murine lung enables high-resolution imaging of cancer metastasis. Nat Methods. 15 (1), 73-80 (2018).
  16. Kim, Y., et al. Quantification of cancer cell extravasation in vivo. Nat Protoc. 11 (5), 937-948 (2016).
  17. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nat Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
  18. Underwood, E. E. . Quantitative stereology. , (1970).
  19. Tanaka, K., et al. In vivo optical imaging of cancer metastasis using multiphoton microscopy: a short review. Am J Transl Res. 6 (3), 179-187 (2014).
  20. Prouty, A. M., Wu, J., Lin, D. T., Camacho, P., Lechleiter, J. D. Multiphoton laser scanning microscopy as a tool for Xenopus oocyte research. Methods Mol Biol. 322, 87-101 (2006).
  21. Bijgaart, R. J., Kong, N., Maynard, C., Plaks, V. Ex vivo Live Imaging of Lung Metastasis and Their Microenvironment. J Vis Exp. (108), e53741 (2016).
  22. Guha, M., et al. Mitochondrial retrograde signaling induces epithelial-mesenchymal transition and generates breast cancer stem cells. Oncogene. 33 (45), 5238-5250 (2014).
  23. Ren, L., Morrow, J. J., et al. Positively selected enhancer elements endow osteosarcoma cells with metastatic competence. . Nat Med. , (2018).
  24. Ren, L., et al. Metabolomics uncovers a link between inositol metabolism and osteosarcoma metastasis. Oncotarget. 8 (24), 38541-38553 (2017).
  25. Ren, L., et al. Characterization of the metastatic phenotype of a panel of established osteosarcoma cells. Oncotarget. 6 (30), 29469-29481 (2015).

Play Video

Citer Cet Article
Lizardo, M. M., Sorensen, P. H. Practical Considerations in Studying Metastatic Lung Colonization in Osteosarcoma Using the Pulmonary Metastasis Assay. J. Vis. Exp. (133), e56332, doi:10.3791/56332 (2018).

View Video