Summary

Evaluering cell død ved hjælp af cellefri supernatant af probiotika i tre-dimensionelle sfæroid kulturer colorectal cancerceller

Published: June 13, 2020
doi:

Summary

Her metoder præsenteres for at forstå anti-cancer virkninger af Lactobacillus celle-fri supernatant (LCFS). Kolorektal cancer cellelinjer viser celledødsfald, når de behandles med LCFS i 3D kulturer. Processen med at generere sfæroider kan optimeres afhængigt af stilladset, og de fremlagte analysemetoder er nyttige til evaluering af de involverede signalveje.

Abstract

Dette manuskript beskriver en protokol til at evaluere kræftcelledødsfald i tredimensionelle (3D) sfæroider af multicellulære typer kræftceller ved hjælp af supernatants fra Lactobacillus fermentumcellekultur , betragtes som probiotikakulturer. Brugen af 3D-kulturer til at teste Lactobacillus cellefri supernatant (LCFS) er en bedre mulighed end test i 2D monolayers, især da L. fermentum kan producere anti-cancer effekter i tarmen. L. fermentum supernatant blev identificeret til at besidde øget anti-proliferative virkninger mod flere kolorektal cancer (CRC) celler i 3D-kultur betingelser. Interessant nok var disse virkninger stærkt relateret til kulturmodellen, hvilket demonstrerede L. fermentums bemærkelsesværdige evne til at fremkalde kræftcelledød. Stabile sfæroider blev genereret fra forskellige CRCs (kolorektal cancerceller) ved hjælp af protokollen præsenteret nedenfor. Denne protokol til generering af 3D-sfæroid er tidsbesparende og omkostningseffektiv. Dette system blev udviklet til nemt at undersøge anti-cancer virkninger af LCFS i flere typer af CRC sfæroider. Som forventet, CRC sfæroider behandlet med LCFS stærkt induceret celledød under forsøget og udtrykt specifikke apoptose molekylære markører som analyseret af qRT-PCR, vestlige blotting, og FACS analyse. Derfor er denne metode værdifuld til at udforske celle levedygtighed og evaluere effekten af anti-cancer medicin.

Introduction

Probiotika er de mest fordelagtige mikroorganismer i tarmen, der forbedrer immunhomøostase og vært for energimetabolisme1. Probiotika fra Lactobacillus og Bifidobacterium er de mest avancerede af sin art, der findes i tarmen2,3. Tidligere undersøgelser har vist, at Lactobacillus har hæmmende og antiproliferative virkninger på flere kræftformer, herunder kolorektal cancer4. Desuden forhindrer probiotika inflammatoriske tarmsygdomme, Crohns sygdom og colitis ulcerosa5,6. Men de fleste undersøgelser med probiotika blev udført i todimensionelle (2D) monolag, der dyrkes på faste overflader.

Kunstige kultursystemer mangler miljømæssige træk, hvilket ikke er naturligt for kræftceller. For at overvinde denne begrænsning er der udviklet tredimensionelle (3D) kultursystemer7,8. Kræftceller i 3D viser forbedringer med hensyn til grundlæggende biologiske mekanismer, såsom celle levedygtighed, spredning, morfologi, cellecellekommunikation, lægemiddelfølsomhed og in vivo relevans9,10. Desuden er sfæroider fremstillet af flercellede typer af kolorektal cancer og er afhængige af cellecelleinteraktioner og den ekstracellulære matrix (ECM)11. Vores tidligere undersøgelse har rapporteret, at probiotiske celle-fri supernatant (CFS) produceret ved hjælp af Lactobacillus fermentum viste anti-cancer virkninger på 3D kulturer af kolorektal cancer (CRC) celler12. Vi foreslog, at CFS er en passende alternativ strategi til test af probiotiske virkninger på 3D-sfæroider12.

Her præsenterer vi en tilgang, der kan rumme flercellede typer af 3D-kolorektal cancer til analyse af terapeutiske virkninger af probiotisk cellefri supernatant (CFS) på flere 3D-kolorektal cancer-efterligningssystemer. Denne metode giver et middel til analyse af relaterede probiotiske og anti-cancer effekter in vitro.

Protocol

1. Bakteriecellekulturer og forberedelse af Lactobacillus cellefri supernatant (LCFS) BEMÆRK: Trin 1.2 – 1.9 udføres i et anaerobt kammer. Forbered en MRS agar plade og bouillon, der indeholder L-cystein og sterilisere ved autoklavering. Forinkubat MRS agar-pladen i H2 anaerobt kammer, der holdes ved 37 °C med 20 ppm ilt. Tø Lactobacillus bakteriebestand og pod agarpladen med bakteriekulturen(figur 1A</strong…

Representative Results

Vi beskriver protokollen for at opnå sfæroider fra forskellige kolorektal cancer cellelinjer. Tilskud med methylcellulose var påkrævet for at generere sfæroider. Vi præsenterer også en metode til LCFS forberedelse og præsentere en model til at studere sammenhængen mellem probiotika og kolorektal cancer. Dannelse af kugleformede og LCFS-forberedelsesprotokoller er skematisk illustreret i figur 1A,B. Som vist i figur 2Aomdanner methylcell…

Discussion

Vævsmikromiljøet, herunder naboceller og den ekstracellulære matrix (ECM), er grundlæggende for vævsgenerering og afgørende for kontrollen med cellevækst og vævsudvikling13. 2D-kulturer har dog flere ulemper, såsom afbrydelse af cellulære interaktioner samt ændringer i cellemorfologi, ekstracellulære miljøer og tilgangen til division14. 3D-cellekultursystemer er blevet grundigt undersøgt for bedre at reproducere in vivo-effekter og er blevet bevist som mere pr…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne forskning blev støttet af “Etablering af målestandarder for kemi og stråling”, tilskudsnummer KRISS-2020-GP2020-0003 og “Udvikling af målestandarder og teknologi til biomaterialer og medicinsk konvergens”, tilskudsnummer KRISS-2020-GP2020-0004-programmer, finansieret af Korea Research Institute of Standards and Science. Denne forskning blev også støttet af Ministeriet for Videnskab og IKT (MSIT), National Research Foundation of Korea (NRF-2019M3A9F3065868), Ministeriet for Sundhed og Velfærd (MOHW), Korea Health Industry Development Institute (KHIDI, HI20C0558), Ministeriet for Handel, Industri & Energi (MOTIE) og Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT, 20009350). ORCID ID (Hee Min Yoo: 0000-0002-5951-2137; Dukjin Kang: 0000-0002-5924-9674; Seil Kim: 0000-0003-3465-7118; Joo-Eun Lee: 0000-0002-2495-1439; Jina Lee: 0000-0002-3661-3701). Vi takker Chang Woo Park for hjælp med eksperimenter.

Materials


10% Mini-PROTEAN TGX Precast Protein Gels, 15-well, 15 µl
Biorad 4561036 Pkg of 10
Applied Biosystems MicroAmp Optical Adhesive Film Thermo Fisher Scientific 4311971 100 covers
10x transfer buffer Intron IBS-BT031A 1 L
10X Tris-Glycine (W/SDS) Intron IBS-BT014 1 L
Axygen 2.0 mL MaxyClear Snaplock Microcentrifuge Tube, Polypropylene, Clear, Nonsterile, 500 Tubes/Pack, 10 Packs/Case Corning SCT-200-C 500 Tubes/Pack, 10 Packs/Case
BD Difco Bacto Agar BD 214010 500 g
BD Difco Lactobacilli MRS Broth BD DF0881-17-5 500 g
CellTiter-Glo 3D Cell viability assay Promega G9681 100μl/assay in 96-well plates
Complete Protease Inhibitor Cocktail Sigma-Aldrich 11697498001 vial of 20 tablets
Corning Phosphate-Buffered Saline, 1X without calcium and magnesium, PH 7.4 ± 0.1 Corning 21-040-CV 500 mL
EMD Millipore Immobilon-P PVDF Transfer Membranes fisher Scientific IPVH00010 26.5cm x 3.75m roll; Pore Size: 0.45um
Falcon 5 mL Round Bottom Polystyrene Test Tube, with Cell Strainer Snap Cap Corning 352235 25/Pack, 500/Case
Fetal Bovine Serum, certified, US origin Thermo Fisher Scientific 16000044 500 mL
iScript cDNA Synthesis Kit, 25 x 20 µl rxns #1708890 Biorad 1708890 25 x 20 µL rxns
iTaq Universal SYBR Green Supermix Biorad 1725121 5 x 1 mL
Lactobacillus fermentum Korean Collection for Type Cultures KCTC 3112
L-Cysteine hydrochloride monohydrate Sigma-Aldrich C6852-25G 25 g
Methyl Cellulose (3500-5600mPa·s, 2% in Water at 20°C) TCI M0185 500 g
MicroAmp Fast Optical 96-Well Reaction Plate with Barcode, 0.1 mL Applied Biosystems 4346906 20 plates
Millex-GS Syringe Filter Unit, 0.22 µm, mixed cellulose esters, 33 mm, ethylene oxide sterilized Millipore SLGS033SB 250
PE Annexin V Apoptosis Detection Kit with 7-AAD Biolegend 640934 100 tests
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) Thermo Fisher Scientific 15140122 100 mL
Propidium Iodide Introgen P1304MP 100 mg
RIPA Lysis and Extraction Buffer Thermo Fisher Scientific 89901 250 mL
RNeasy Mini Kit (250) Qiagen 74106 250
RPMI-1640 Gibco 11875-119 500 mL
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red Thermo Fisher Scientific 25200056 100 mL
Name of Materials/Equipment/Software Company Catalog Number Comments/Description
anti – p-IκBα (B-9) Santa cruze sc-8404 200 µg/mL
anti-BclxL (H-5) Santa cruze sc-8392 200 µg/mL
anti-PARP 1 (C2-10) Santa cruze sc-53643 50 µl ascites
anti-β-actin (C4) Santa cruze sc-47778 200 µg/mL
BD FACSVerse BD Biosciences San Diego, CA, USA
Synergy HTX Multi-Mode Microplate Reader BioT S1LFA
CO2 incubator Thermo fisher HERAcell 150i
Conical tube 15 ml SPL 50015
Conical tube 50 ml SPL 50050
Corning Costar Ultra-Low Attachment Multiple Well Plate Sigma-Aldrich CLS7007
Corning Costar Ultra-Low Attachment Multiple Well Plate Sigma-Aldrich CLS3471
Costar 50 mL Reagent Reservoirs, 5/Bag, Sterile Costar 4870
Countess Cell Counting Chamber Slides Thermofisher C10228
Countess II FL Automated Cell Counter invitrogen AMQAF1000
EnSpire Multimode Reader Perkin Elmer Enspire 2300
Eppendorf Research Plus Multi Channel Pipette, 8-channel Eppendorf 3122000051
FlowJo software TreeStar Ashland, OR, USA
Goat Anti-Mouse IgG (H+L) Jackson immunoresearch 115-035-062 1.5 mL
Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) Jackson immunoresearch 111-035-144 2.0 mL
GraphPad Prism 5 GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA
ImageJ NIH
ImageQuant LAS 4000 mini Fujifilm Tokyo, Japan
Incubated shaker Lab companion SIF-6000R
Multi Gauge Ver. 3.0, Fujifilm Tokyo, Japan
Optical density (OD)LAMBDA UV/Vis Spectrophotometers Perkin Elmer Waltham, MA, USA
Phase-contrast microscope Olympus Tokyo, Japan
SPL microcentrifuge tube 1.5mL SPL 60015
SPL Multi Channel Reservoirs, 12-Chs, PS, Sterile SPL 21012
StepOnePlus Real-Time PCR system Thermo Fisher Scientific Waltham, MA, USA
Vibra-Cell Ultrasonic Liquid Processors SONICS-vibra cell VC 505 500 Watt ultrasonic processor
Vinyl Anaerobic Chamber COY LAB PRODUCTS

References

  1. Bron, P. A., Van Baarlen, P., Kleerebezem, M. Emerging molecular insights into the interaction between probiotics and the host intestinal mucosa. Nature Reviews Microbiology. 10 (1), 66-78 (2012).
  2. Ruiz, L., Delgado, S., Ruas-Madiedo, P., Sánchez, B., Margolles, A. Bifidobacteria and their molecular communication with the immune system. Frontiers in Microbiology. 8, 1-9 (2017).
  3. Sanders, M. E., Merenstein, D. J., Reid, G., Gibson, G. R., Rastall, R. A. Probiotics and prebiotics in intestinal health and disease: from biology to the clinic. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology. 16 (10), 605-616 (2019).
  4. Pandey, K. R., Naik, S. R., Vakil, B. V. Probiotics, prebiotics and synbiotics- a review. Journal of Food Science and Technology. 52 (12), 7577-7587 (2015).
  5. Harish, K., Varghese, T. Probiotics in humans-evidence based review. Calicut Medical Journal. 4 (4), 3 (2006).
  6. Routy, B., et al. The gut microbiota influences anticancer immunosurveillance and general health. Nature Reviews Clinical Oncology. 15 (6), 382-396 (2018).
  7. Pampaloni, F., Reynaud, E. G., Stelzer, E. H. K. Most of the cell-based data-harvesting efforts that drive the integration of cell biology. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8 (10), 839-845 (2007).
  8. Shamir, E. R., Ewald, A. J. Three-dimensional organotypic culture: Experimental models of mammalian biology and disease. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 15 (10), 647-664 (2014).
  9. Jong, B. K. Three-dimensional tissue culture models in cancer biology. Seminars in Cancer Biology. 15 (5), 365-377 (2005).
  10. Zanoni, M., et al. 3D tumor spheroid models for in vitro therapeutic screening: a systematic approach to enhance the biological relevance of data obtained. Scientific Reports. 6, 19103 (2016).
  11. Anton, D., Burckel, H., Josset, E., Noel, G. Three-dimensional cell culture: A breakthrough in vivo. International Journal of Molecular Sciences. 16 (3), 5517-5527 (2015).
  12. Lee, J. E., et al. Characterization of the Anti-Cancer Activity of the Probiotic Bacterium Lactobacillus fermentum Using 2D vs. 3D Culture in Colorectal Cancer Cells. Biomolecules. 9 (10), 557 (2019).
  13. Koledova, Z. 3D cell culture: An introduction. Methods in Molecular Biology. 1612, (2017).
  14. Kapałczyńska, M., et al. 2D and 3D cell cultures – a comparison of different types of cancer cell cultures. Archives of Medical Science. 14 (4), 910-919 (2018).
  15. Langhans, S. A. Three-dimensional in vitro cell culture models in drug discovery and drug repositioning. Frontiers in Pharmacology. 9, 1-14 (2018).
  16. Breslin, S., O’Driscoll, L. Three-dimensional cell culture: The missing link in drug discovery. Drug Discovery Today. 18 (5-6), 240-249 (2013).
  17. Mazzocchi, A. R., Rajan, S. A. P., Votanopoulos, K. I., Hall, A. R., Skardal, A. In vitro patient-derived 3D mesothelioma tumor organoids facilitate patient-centric therapeutic screening. Scientific Reports. 8, 2886 (2018).
  18. Lv, D., Hu, Z., Lu, L., Lu, H., Xu, X. Three-dimensional cell culture: A powerful tool in tumor research and drug discovery. Oncology Letters. 14 (6), 6999-7010 (2017).
  19. Thirumala, S., Gimble, J., Devireddy, R. Methylcellulose Based Thermally Reversible Hydrogel System for Tissue Engineering Applications. Cells. 2 (3), 460-475 (2013).
  20. Chandrashekran, A., et al. Methylcellulose as a scaffold in the culture of liver-organoids for the potential of treating acute liver failure. Cell and Gene Therapy Insights. 4 (11), 1087-1103 (2018).
  21. Lee, W., Park, J. 3D patterned stem cell differentiation using thermo-responsive methylcellulose hydrogel molds. Scientific Reports. 6, 1-11 (2016).
  22. Fan, H., Demirci, U., Chen, P. Emerging organoid models: Leaping forward in cancer research. Journal of Hematology and Oncology. 12 (1), 1-10 (2019).
  23. Drost, J., Clevers, H. Organoids in cancer research. Nature Reviews Cancer. 18 (7), 407-418 (2018).
  24. Liou, C. S., et al. A Metabolic Pathway for Activation of Dietary Glucosinolates by a Human Gut Symbiont. Cell. 180 (4), 717-728 (2020).
  25. Sherwin, E., Bordenstein, S. R., Quinn, J. L., Dinan, T. G., Cryan, J. F. Microbiota and the social brain. Science. 366 (6465), 2016 (2019).
  26. Honda, K., Littman, D. R. The microbiota in adaptive immune homeostasis and disease. Nature. 535 (7610), 75-84 (2016).
  27. Bárcena, C., et al. Healthspan and lifespan extension by fecal microbiota transplantation into progeroid mice. Nature Medicine. 25 (8), 1234-1242 (2019).
  28. Michalovich, D., et al. Obesity and disease severity magnify disturbed microbiome-immune interactions in asthma patients. Nature Communications. 10, 5711 (2019).
  29. Ansaldo, E., et al. Akkermansia muciniphila induces intestinal adaptive immune responses during homeostasis. Science. 364 (6446), 1179-1184 (2019).
check_url/fr/61285?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Lee, J., Lee, J., Kim, S., Kang, D., Yoo, H. M. Evaluating Cell Death Using Cell-Free Supernatant of Probiotics in Three-Dimensional Spheroid Cultures of Colorectal Cancer Cells. J. Vis. Exp. (160), e61285, doi:10.3791/61285 (2020).

View Video