Identifizierung von Knochenmark-Mikroumgebungspopulationen beim myelodysplastischen Syndrom und der akuten myeloischen Leukämie
Summary
Hier wird ein detailliertes Protokoll zur Isolierung und Charakterisierung von Knochenmark-Mikroumgebungspopulationen aus murinen Modellen myelodysplastischer Syndrome und akuter myeloischer Leukämie vorgestellt. Mit dieser Technik werden Veränderungen in der nicht-hämatopoetischen Knochenmarknische, einschließlich der endothelialen und mesenchymalen Stromazellen, mit Fortschreiten der Erkrankung identifiziert.
Abstract
Die Mikroumgebung des Knochenmarks besteht aus verschiedenen Zellpopulationen, wie mesenchymalen Stromazellen, Endothelzellen, Osteostammzellen und Fibroblasten, die hämatopoetische Stammzellen (HSCs) unterstützen. Neben der Unterstützung normaler HSCs spielt die Mikroumgebung des Knochenmarks auch eine Rolle bei der Entwicklung von hämatopoetischen Stammzellerkrankungen wie myelodysplastischen Syndromen (MDS) und akuter myeloischer Leukämie (AML). MDS-assoziierte Mutationen in HSCs führen zu einer Blockade der Differenzierung und zu einem fortschreitenden Knochenmarkversagen, insbesondere bei älteren Menschen. MDS kann oft zu einer therapieresistenten AML führen, einer Erkrankung, die durch eine schnelle Anhäufung unreifer myeloischer Blasten gekennzeichnet ist. Es ist bekannt, dass die Mikroumgebung des Knochenmarks bei Patienten mit diesen myeloischen Neoplasien verändert ist. In dieser Arbeit wird ein umfassendes Protokoll zur Isolierung und phänotypischen Charakterisierung von Mikroumgebungszellen des Knochenmarks aus murinen Modellen des myelodysplastischen Syndroms und der akuten myeloischen Leukämie beschrieben. Die Isolierung und Charakterisierung von Veränderungen in den Nischenpopulationen des Knochenmarks kann dazu beitragen, ihre Rolle bei der Initiierung und dem Fortschreiten der Krankheit zu bestimmen und kann zur Entwicklung neuartiger Therapeutika führen, die auf krebsfördernde Veränderungen in den Knochenmarkstromapopulationen abzielen.
Introduction
Die Mikroumgebung des Knochenmarks besteht aus hämatopoetischen Zellen, nicht-hämatopoetischen Stromazellen und der extrazellulären Matrix 1,2. Diese Mikroumgebung kann die Selbsterneuerung hämatopoetischer Stammzellen fördern, die Differenzierung von Abstammungslinien regulieren und das Knochengewebe strukturell und mechanisch stützen 1,2,3,4,5. Die stromale Nische umfasst Osteolineage-Zellen, Fibroblasten, Nervenzellen und Endothelzellen6, während die hämatopoetische Nische aus den lymphatischen und myeloischen Populationen besteht 1,2,3. Neben der Unterstützung normaler HSCs kann die Mikroumgebung des Knochenmarks auch eine Rolle bei der Entwicklung von hämatopoetischen Stammzellerkrankungen wie MDS und AML spielen 7,8,9,10,11. Es wurde gezeigt, dass Mutationen in Osteolinienzellen die Entwicklung von MDS, AML und anderen myeloproliferativen Neoplasien fördern 10,12,13,14.
Myelodysplastische Syndrome sind eine Gruppe präleukämischer Erkrankungen, die durch Mutationen in hämatopoetischen Stammzellen entstehen. MDS ist häufig mit einer Blockade der HSZ-Differenzierung und der Produktion von dysplastischen Zellen verbunden, was häufig zu Knochenmarkversagen führen kann. MDS ist die am häufigsten diagnostizierte myeloische Neoplasie in den Vereinigten Staaten und mit einer 3-Jahres-Überlebensrate von 35 % bis 45 % verbunden15. MDS ist oft mit einem hohen Risiko für die Transformation in eine akute myeloische Leukämie verbunden. Dies kann eine tödliche Komplikation sein, da die MDS-abgeleitete AML gegen die meisten Therapien resistent ist und wahrscheinlich einen Rückfall erleidet. AML, die de novo aufgrund von Translokationen oder Mutationen im hämatopoetischen Stamm und in den Vorläuferzellen entsteht, ist häufig auch resistent gegen die Standard-Chemotherapie16,17. Da es sich bei MDS und AML in erster Linie um Erkrankungen älterer Menschen handelt, wobei die meisten im Alter von über 60 Jahren diagnostiziert werden, kommen die meisten Patienten für eine kurative Knochenmarktransplantation nicht in Frage. Es besteht daher ein erheblicher Bedarf, neue Regulatoren des Krankheitsverlaufs zu identifizieren. Da die Mikroumgebung des Knochenmarks bösartige Zellen unterstützen kann14, kann die Definition von Veränderungen in der Knochenmarknische mit dem Fortschreiten der Krankheit zur Identifizierung neuer Therapeutika führen, die darauf abzielen, den Umbau von Tumornischen zu hemmen. Es besteht daher ein erheblicher Bedarf, neue Regulatoren des Krankheitsverlaufs zu identifizieren. Zu diesem Zweck ist es von entscheidender Bedeutung, Veränderungen in den Stromazellpopulationen des Knochenmarks zu identifizieren und zu charakterisieren, die die malignen Zellen unterstützen können.
Es wurden mehrere Mausmodelle für AML und MDS entwickelt, die zur Untersuchung von Veränderungen in der Mikroumgebung des Knochenmarks während des Krankheitsbeginns und -fortschreitens verwendet werdenkönnen 6,1,19,20,21,22. Hier werden Protokolle zur Identifizierung von Veränderungen in den Knochenmark-Stromazellpopulationen unter Verwendung von murinen Modellen der retroviral induzierten AML 6,20 sowie des kommerziell erhältlichen Nup98-HoxD13 (NHD13)-Modells der Hochrisiko-MDS-zu-AML-Transformation19 beschrieben. Mäuse, denen de novo AML-Zellen transplantiert wurden, erliegen der Krankheit innerhalb von 20-30 Tagen6. Die NHD13-Mäuse entwickeln in der 15. bis 20. Woche Zytopenien und Knochenmarkdysplasie, die sich schließlich in AML umwandeln, und fast 75 % der Mäuse erliegen der Krankheit nach etwa 32 Wochen. Um die mikroumgebungsspezifischen Populationen des murinen Modells des Knochenmarks zu analysieren, werden Knochen entnommen, Knochenmark und Knochenspikulen mittels enzymatischer Verdauung verdaut und die Zellen dann durch magnetische Sortierung für CD45-/Ter119-nicht-hämatopoetische Populationen angereichert. Obwohl ähnliche Analysen bereits beschrieben wurden 11,13,22,23,24,25, konzentrieren sie sich oft entweder auf das Knochenmark oder den Knochen und beziehen Zellen aus beiden Quellen nicht in ihre Analysen ein. Die kombinierte Charakterisierung dieser Populationen in Verbindung mit Genexpressionsanalysen kann ein umfassendes Verständnis dafür liefern, wie die zelluläre hämatopoetische Mikroumgebung die Initiierung und das Fortschreiten der Krankheit unterstützt (Abbildung 1). Während sich das unten beschriebene Protokoll auf ein retroviral induziertes AML-Modell und ein genetisches MDS-Modell konzentriert, können diese Strategien leicht angepasst werden, um Veränderungen in der Knochenmarknische jedes Mausmodells von Interesse zu untersuchen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Maus-Leukämiemodelle wurden in großem Umfang verwendet, um zellintrinsische und nischengesteuerte Signale zu identifizieren, die das Fortschreiten der aggressiven myeloischen Leukämie fördern 6,19,21. In dieser Arbeit wird ein umfassendes auf Durchflusszytometrie basierendes Protokoll zur Bestimmung der zellulären Zusammensetzung der Knochenmarkmikroumgebung in murinen Modellen von MDS und AML vorgestellt.
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir bedanken uns beim URMC Flow Cytometry Core. Diese Arbeit wurde durch den American Society of Hematology Scholar Award, den Preis der Leukemia Research Foundation und NIH-Stipendien R01DK133131 und R01CA266617 unterstützt, die an J.B.
Materials
| 1 mL pipette Tips | Genesee Scientific | 24-165RL | |
| 1.7 mL Microcentrifuge Tubes | AVANT | L211511-CS | |
| 10 µL pipette Tips | Genesee Scientific | 24-140RL | |
| 10 mL Individually Wrapped Sterile Serological Pipettes | Globe scientific | 1760 | |
| 1000 mL Vacuum Filtration Flask | NEST | 344021 | |
| 15 mL Centrifuge Tube | VWR | 10026-076 | |
| 2 mL Aspirating Pipette | NEST | 325011 | |
| 200 µL pipette Tips | Genesee Scientific | 24-150-RL | |
| 25 mL Individually Wrapped Sterile Serological Pipettes | Globe scientific | 1780 | |
| 5 mL Individually Wrapped Sterile Serological Pipettes | Globe scientific | 1740 | |
| 5 mL Polystyrene Round-Bottom Tube 12 x 75 mm style | Falcon | 352054 | |
| 5 mL Polystyrene Round-Bottom Tube with Cell Strainer Cap 12 x 75 mm style | Falcon | 352235 | |
| 50 mL Centrifuge Tube | NEST | 602052 | |
| 6 Well, Flat Bottom with Low Evaporation Lid | Falcon | 353046 | |
| Absorbent Underpads with Waterproof Moisture Barrier | VWR | 56616-031 | |
| APC MicroBeads | Miltenyi | 130-090-855 | |
| autoMACS Pro Separator | Miltenyi Biotec GmBH | 4425745 | |
| BD Pharmingen Purified Rat Anti-Mouse CD16/CD32 (Mouse BD Fc Block) | BD Biosciences | 553141 | 0.5 mg/mL |
| Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A7906 | 66.000 g/mol |
| Brilliant Violet 421 anti-mouse Ly-6A/E (Sca-1) Antibody (D7) | Invitrogen | 404-5981 | 0.2 mg/mL |
| C57BL/6J Mice | Jackson Laboratory | 664 | |
| Carbon Dioxide Gas Tank | Airgas | CD50 | |
| CD31 (PECAM-1) Monoclonal Antibody (390), PE-Cyanine7 | Invitrogen | 25-0311-82 | 0.2 mg/mL |
| CD45 Monoclonal Antibody (30-F11), APC | Invitrogen | 17-0451-82 | 0.2 mg/mL |
| Cell Strainer 70 µm Nylon | Falcon | 352350 | |
| Cole-Parmer Essentials Mortar and Pestle; Agate, 125 mL | Cole-Parmer | EW-63100-62 | |
| Collagenase from Clostridium histolyticum | Sigma-Aldrich | C5138-500MG | |
| Collagenase Type I | STEMCELL | 7415 | |
| Corning Mini Centrifuge | CORNING | 6770 | |
| Corning Stripettor Ultra Pipet Controller | Corning | 4099 | |
| Deoxyribonuclease I from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | D4513 | |
| Dispase II, powder | Gibco | 117105041 | |
| DPBS 10x | gibco | 14200-075 | |
| eBioscience 1x RBC Lysis Buffer | Invitrogen | 00-4333-57 | |
| Ethanol absolute, KOPTEC, meets analytical specification of BP, Ph. Eur., USP (200 Proof) | VWR | 89125-174 | |
| Fine scissors – sharp | Fine Science Tools | 14061-10 | |
| Foundation B Fetal Bovine Serum | GeminiBio | 900-208 | |
| Gilson PIPETMAN L Pipette Starter Kits | FisherScientific | F167370G | |
| Graefe Forceps | Fine Science Tools | 11051-10 | |
| Hank's Balanced Salt Solution (HBSS) 10x | gibco | 14185-052 | |
| Hemocytometer | Fisher | 02-671-10 | |
| Incubator | BINDER | C150-UL | |
| Kimwipes | KIMTECH | K222101 | |
| LABGARD Class II, Type A2 Biological Safety Cabinet | Nuaire | NU-425-400 | |
| LD Columns | Miltenyi Biotec GmBH | 130-042-901 | |
| LSE Vortex Mixer | CORNING | 6775 | |
| LSRII/Fortessa/Symphony A1 | Becton, Dickinson and Company | 647800L6 | |
| MACS MULTI STAND | Miltenyi Biotec GmBH | 130-042-303 | |
| MACsmix Tube Rotator | Miltenyi Biotec GmBH | 130-090-753 | |
| mIgG | Millipore-Sigma | 18765-10mg | 2 mg/mL |
| Nup98-HoxD13 (NHD13) Mice | Jackson Laboratory | 010505 | |
| PE anti-mouse CD51 Antibody (RMV-7) | Biolegend | 104106 | 0.2 mg/mL |
| PE/Cyanine5 anti-mouse CD140a Antibody (RUO) | Biolegend | 135920 | 0.2 mg/mL |
| Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | 10,000 U/mL |
| Plastipak 3 mL Syringe | Becton, Dickinson and Company | 309657 | |
| Propidium Iodide – 1.0 mg/mL Solution in Water | ThermoFisher Scientific | P3566 | |
| QuadroMACS Separator | Miltenyi Biotec GmBH | 130-090-976 | |
| Sorvall X Pro / ST Plus Series Centrifuge | Thermo Scientific | 75009521 | |
| TER-119 Monoclonal Antibody (TER-119), APC | Invitrogen | 17-5921-82 | 0.2 mg/mL |
| Trypan Blue Solution 0.4% | Gibco | 15-250-061 | |
| Ultrapure 0.5 M EDTA, pH 8.0 | Invitrogen | 15575-038 |
References
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