난소암 오가노이드의 바이오뱅킹 전략: 조직학적 아형 및 질병 단계에 걸친 환자 간 이질성 해결
Summary
이 프로토콜은 다양한 질병 단계의 난소암 오가노이드 확립을 위한 체계적인 프레임워크를 제공하고 환자별 변동성 문제를 해결하여 수율을 높이고 후속 응용 분야에서 강력한 장기 확장을 가능하게 합니다. 여기에는 조직 처리, 파종, 배지 요구 사항 조정 및 면역형광 염색을 위한 자세한 단계가 포함됩니다.
Abstract
임상 배경 정보와 함께 환자 유래 오가노이드로부터 난소암 바이오뱅크를 구축하면 연구 및 환자 치료의 발전이 기대되지만, 이 치명적인 악성 종양의 이질성과 오가노이드 기술의 고유한 복잡성으로 인해 표준화는 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 이 적응형 프로토콜은 전구세포의 환자별 가변성을 고려하여 난소암 오가노이드의 잠재력을 최대한 실현할 수 있는 체계적인 프레임워크를 제공합니다. 최적의 배양 조건과 파종 방법을 선택하기 위한 구조화된 실험 워크플로우를 구현하고 직접 3D 파종과 2D/3D 경로의 병렬 테스트를 통해 대부분의 경우 광범위한 다운스트림 응용 분야에 적합한 강력한 장기 확장 라인을 얻을 수 있습니다.
특히, 이 프로토콜은 고등급 및 저등급 난소암과 1차 용적 축소, 재발성 질환 및 선행 후 수술 표본을 포함한 매우 이질적인 시작 물질의 많은 증례(N = 120)에서 테스트 및 효과가 입증되었습니다. 낮은 Wnt, 높은 BMP 외인성 신호전달 환경 내에서, 우리는 전구세포가 헤레굴린 1 ß (HERß-1)-경로의 활성화에 다르게 취약하며, HERß-1이 어떤 곳에서는 오가노이드 형성을 촉진하는 반면 다른 곳에서는 오가노이드 형성을 억제하는 것을 관찰했습니다. 환자 샘플의 하위 집합의 경우 최적의 오가노이드 형성 및 장기 성장을 위해서는 섬유아세포 성장 인자 10 및 R-Spondin 1을 배지에 추가해야 합니다.
또한, 조직 분해 및 전구 세포 분리의 중요한 단계를 강조하고 플라스틱에 대한 2D의 짧은 배양이 기저막 추출물 유형 2 매트릭스의 후속 오가노이드 형성에 도움이 되는 예를 지적합니다. 전반적으로, 최적의 바이오뱅킹을 위해서는 개별 계통에 대한 적절한 성장 환경을 식별하기 위해 모든 주요 조건을 병행하여 체계적으로 테스트해야 합니다. 이 프로토콜은 또한 포괄적인 표현형에 필요한 오가노이드의 고해상도 이미지를 얻기 위한 효율적인 임베딩, 절편화 및 염색을 위한 처리 절차를 설명합니다.
Introduction
상피난소암 환자의 임상적 관리는 진행된 단계에서 이질적인 임상 양상과 높은 재발률로 인해 여전히 어려운 과제로 남아 있다1. 난소암의 발병과 생물학적 행동에 대한 이해를 높이려면 난소암의 진행 과정, 치료 반응, 조직병리학적 및 분자적 특징을 다루는 연구적 접근이 필요하다2.
난소암 환자로부터 유래한 종양 샘플과 임상 정보를 체계적으로 수집하고 장기간 보존하는 것이 특징인 바이오뱅킹은 1차 용적 축소 수술, 선행 화학요법 후 및 재발성 질환의 종양 샘플을 포함하여 다양한 질병 단계에서 대규모 환자 코호트를 보존할 수 있습니다. 유망한 예후 바이오마커 및 치료 표적의 자원 역할을 하는 암 연구를 발전시킬 수 있는 귀중한 잠재력을 가지고 있습니다3. 그러나 포르말린 고정 및 동결과 같은 기존의 바이오뱅킹 방법은 생존력의 상실과 본래의 3차원 조직 구조의 파괴로 인해 원래의 종양 샘플에 대한 기능적 연구를 수행할 수 없습니다 4,5.
종양학 및 그 이상의 분자 메커니즘에 대한 연구는 질병의 생물학을 충실히 반영하고 생체 내에서 관찰된 조직의 체외 특성을 유지하는 적절한 실험 모델의 사용에 결정적으로 의존합니다. 재생 잠재력의 보존을 기반으로 하는 환자 유래 오가노이드는 실험실에서 상피의 원래 구조와 기능을 재현하고 환자별 맥락에서 테스트할 수 있습니다. 따라서 암 연구 및 개인 맞춤형 의학을 위한 매우 유망한 도구로 부상하여 임상 다양성과 실험실 연구 사이의 격차를 해소하고있습니다 6,7,8,9. 오가노이드 라인의 개별 약물 반응과 분자 프로파일의 기능적 관련성 테스트를 기반으로 하는 맞춤형 치료 전략은 잠재적으로 환자 치료에 직접 적용될 수 있습니다10,11. 환자별 특성을 포함한 장기 배양 가능성과 시간 경과에 따른 관련 전향적 임상 데이터 수집은 질병 진행 및 내성 메커니즘과 관련된 새로운 예후 및 예측 요인을 식별할 수 있는 큰 가능성을 가지고 있습니다 3,9.
그럼에도 불구하고 다양한 종양 샘플의 오가노이드를 포함하는 바이오뱅크를 구축하려면 복잡한 방법론을 엄격하게 준수하고 손쉬운 유지 관리를 위한 프로토콜을 설정해야 합니다12. 프로세스 표준화는 높은 이직률에도 훈련된 직원이 바이오뱅크를 효율적으로 설립하고 유지할 수 있도록 하는 동시에 최고 품질 표준13을 준수할 수 있도록 합니다. 여러 연구에서 다양한 효율로 원래 종양의 돌연변이 및 표현형 프로파일에 해당하는 안정적인 난소암 오가노이드 라인의 성공적인 생성을 보고했습니다. 그럼에도 불구하고 일상적인 바이오 뱅킹은 특히 대규모 확장 또는 성공적인 게놈 편집의 전제 조건인 장기적이고 안정적인 계통 성장을 위해 실제로 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다.
특히, 확장성 문제는 성장 잠재력이 느리고 제한적인 오가노이드가 확립된 라인으로 간주되는 경우가 있기 때문에 현장에서 모호하게 정의되고 있습니다. Hoffmann et al.에 의해 처음 입증된 바와 같이, 난소암 조직의 최적 처리는 이질성을 수용하기 위한 독특한 전략이 필요하다14. 이 방법으로 수득한 오가노이드의 표현형 특성 분석 및 모체 종양 조직과의 밀접한 유사성은 성숙한 배양물(배양 4-10개월)의 패널 DNA 시퀀싱 및 전사체학 분석을 통해 확인되었으며, 이는 모델 8,9,12,14의 안정성을 입증했습니다.
건강한 나팔관의 항상성을 조절하는 측분비 환경과는 대조적으로, 고급 장액성 난소암(HGSOC), 암 재생 가능성 및 오가노이드 형성 능력을 생성할 가능성이 있는 상피층은 외인성 Wnt 보충에 덜 의존합니다. 또한, 오가노이드 배지에 Noggin이 없는 것을 특징으로 하는 활성 Bone Morphogenetic Protein(BMP) 신호전달은 난소암 고형 조직 침전물에서 장기 배양 확립에 도움이 되는 것으로 입증되었습니다14,15. 난소암의 고형 침전물에 대한 체계적인 바이오뱅킹 과정에서 우리는 이러한 발견을 확인하고 파이프라인을 설정했으며, 대부분의 사례에서 지속적인 장기 확장을 보장하는 이 프로토콜에 설명된 세부 사항을 제공합니다. 1차 분리체로 작업할 때 다양한 배지 조성 및 파종 양식에 대한 병렬 테스트는 장기적으로 안정적인 오가노이드 라인의 확립을 개선하고 수율을 높여 다운스트림 실험에 필요한 다중 웰 형식으로의 강력한 전파 및 확장을 가능하게 하는 데 필수적이라는 것을 발견했습니다16.
또한 수술 중 수집된 샘플의 순도와 품질은 기초 연구 및 분자 진단에서 난소암 오가노이드의 중개 잠재력에 매우 중요합니다. HGSOC의 임상 표현이 복잡하기 때문에 관련 물질을 정확하게 식별하고, 운송 조건을 일정하게 유지하고, 각 환자 질병의 가장 중요한 특성을 나타내는 오가노이드 라인을 고효율로 생성하기 위해 실험실의 외과의, 종양학자 및 과학자 간의 긴밀한 협력이 필요합니다. 이 프로토콜은 난소암을 특징짓는 이질성을 고려하여 난소암 오가노이드의 잠재력을 최대한 포착할 수 있는 표준화되었지만 적응 가능한 프레임워크를 제공합니다16,17. 특히, 이 프로토콜은 다양한 조직학적 유형(고등급 및 저등급 난소암, LGSOC), 줄기 조절에 차이를 보이는 동일한 환자의 다양한 침전물, 선행 후 수술 조직, 생검 재료 및 질병 진행의 재발 단계에서 수술 샘플을 포함하여 난소암 임상 증상의 광범위한 스펙트럼에 대한 신뢰할 수 있는 바이오뱅킹을 가능하게 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
설계된 프로토콜은 오가노이드 형성 및 장기 통과 가능성과 관련하여 난소암 오가노이드 바이오뱅킹의 이전 문제를 해결하고 대부분의 고형 종양 퇴적물에서 완전히 확장 가능한 라인의 생성을 보장합니다. 오가노이드 생성에 사용되는 종양 샘플의 외과적 수집 공정은 수율과 확장 가능성에 상당한 영향을 미칩니다. 종양 조직 샘플은 다중 내장 수술, 진단적 복강경 검사 또는 생검을 포함한 다?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 독일 암 연구 센터(German Cancer Research Center)의 자금 지원을 받고 있으며, 파트너 사이트인 뮌헨(Munich)은 DKFZ와 뮌헨 대학병원(University Hospital LMU Munich)의 파트너십을 맺고 있습니다. 이 연구는 또한 독일 암 원조 보조금(#70113426 및 #70113433)의 지원을 받습니다. 조직 및 오가노이드의 파라핀 임베딩은 뮌헨 LMU 뮌헨 의과대학 해부학 연구소의 핵심 시설에서 수행되었습니다. 공초점 이미징은 Biomedical Center(BMC)의 핵심 시설인 Bioimaging에서 수행되었습니다. 저자는 기술적인 도움을 준 Simone Hofmann, Maria Fischer, Cornelia Herbst, Sabine Fink 및 Martina Rahmeh에게 감사의 뜻을 전합니다.
Materials
| 100 Sterican 26 G | Braun, Melsungen, Germany | 4657683 | |
| 100 Sterican 27 G | Braun, Melsungen, Germany | 4657705 | |
| 293T HA Rspo1-Fc | R&D systems, Minneapolis, USA | 3710-001-01 | Alternative: R-Spondin1 expressing Cell line, Sigma-Aldrich, SC111 |
| A-83-01 (TGF-b RI Kinase inhibitor IV) | Merck, Darmstadt, Germany | 616454 | |
| Advanced DMEM/F-12 Medium | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 12634028 | |
| Anti-p53 antibody (DO1) | Santa Cruz Biotechnology, Texas, USA | sc-126 | |
| Anti-PAX8 antibody | Proteintech, Manchester, UK | 10336-1-AP | |
| B-27 Supplement (50x) | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 17504-044 | |
| Bottle-top vacuum filter 0.2 µm | Corning, Berlin, Germany | 430049 | |
| CELLSTAR cell culture flask, 175 cm2 | Greiner Bio-one, Kremsmünster, Austria | 661175 | |
| CELLSTAR cell culture flask, 25 cm2 | Greiner Bio-one, Kremsmünster, Austria | 690160 | |
| CELLSTAR cell culture flask, 75 cm2 | Greiner Bio-one, Kremsmünster, Austria | 658175 | |
| Collagenase I | Thermo Scientific, Waltham, USA | 17018029 | |
| Costar 48-well Clear TC-treated | Corning, Berlin, Germany | 3548 | |
| Cryo SFM | PromoCell – Human Centered Science, Heidelberg, Germany | C-29912 | |
| Cultrex Reduced Growth Factor Basement Membrane Extract, Type 2, Pathclear | R&D systems, Minneapolis, USA | 3533-005-02 | Alternative: Matrigel, Growth Factor Reduced Basement membrane matrix Corning, 356231 |
| Cy5 AffiniPure Donkey Anti-Mouse IgG | Jackson Immuno | 715-175-151 | |
| DAKO Citrate Buffer, pH 6.0, 10x Antigen Retriever | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | C9999-1000ML | |
| DAPI | Thermo Scientific, Waltham, USA | 62248 | |
| Donkey anti rabbit Alexa Fluor Plus 555 | Thermo Scientific, Waltham, USA | A32794 | |
| Donkey anti-Goat IgG Alexa Fluor Plus 488 | Thermo Scientific, Waltham, USA | A32814 | |
| Dulbecco´s Phosphate-Buffered Saline | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 14190-094 | |
| Epredia Richard-Allan Scientific HistoGel | Thermo Scientific, Waltham, USA | Epredia HG-4000-012 | |
| Falcon 24-well Polystyrene | Corning, Berlin, Germany | 351447 | |
| Feather scalpel | Pfm medical, Cologne, Germany | 200130010 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 10270106 | |
| Formalin 37% acid free, stabilized | Morphisto, Offenbach am Main, Germany | 1019205000 | |
| GlutaMAX | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 35050038 | |
| HEPES (1 M) | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 156630080 | |
| Human EpCAM/TROP-1 Antibody | R&D systems, Minneapolis, USA | AF960 | |
| Human FGF10 | Peprotech, NJ, USA | 100-26 | |
| Human recombinant BMP2 | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | PHC7146 | |
| Human recombinant EGF | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | PHG0311L | |
| Human recombinant Heregulin beta-1 | Peprotech, NJ, USA | 100-03 | |
| LAS X core Software | Leica Microsystems | https://webshare.leica-microsystems.com/latest/core/widefield/ | |
| Leica TCS SP8 X White Light Laser Confocal Microscope | Leica Microsystems | ||
| N-2 Supplement (100x) | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 17502-048 | |
| Nicotinamide | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | N0636 | |
| Omnifix 1 mL | Braun, Melsungen, Germany | 3570519 | |
| Paraffin | |||
| Parafilm | Omnilab, Munich, Germany | 5170002 | |
| Paraformaldehyd | Morphisto, Offenbach am Main, Germany | 1176201000 | |
| Pen Strep | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 15140-122 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | P4333-100 | |
| PluriStrainer 400 µm | PluriSelect, Leipzig, Germany | 43-50400-01 | |
| Primocin | InvivoGen, Toulouse, France | ant-pm-05 | |
| Red Blood Cell Lysing Buffer | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | 11814389001 | |
| Roticlear | Carl Roth, Karlsruhe, Germany | A538.5 | |
| Surgipath Paraplast | Leica, Wetzlar, Germany | 39602012 | |
| Thermo Scientific Nunc Cryovials | Thermo Scientific, Waltham, USA | 375418PK | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | T8787 | |
| Trypan Blue Stain | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | T8154 | |
| TrypLE Express Enzyme | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 12604-013 | |
| Tween-20 | PanReac AppliChem, Darmstadt, Germany | A4974-0100 | |
| Y-27632 | TOCRIS biotechne, Wiesbaden, Germany | 1254 | |
| Zeocin | Invitrogen, Thermo Scientific, Waltham, USA | R25001 |
References
- Siegel, R. L., Miller, K. D., Fuchs, H. E., Jemal, A. Cancer statistics. CA Cancer J Clin. 72 (1), 7-33 (2022).
- Berger, A. C., et al. A comprehensive pan-cancer molecular study of gynecologic and breast cancers. Cancer Cell. 33 (4), 690-705 (2018).
- Watson, R. W. G., Kay, E. W., Smith, D. Integrating biobanks: addressing the practical and ethical issues to deliver a valuable tool for cancer research. Nat Rev Cancer. 10 (9), 646-651 (2010).
- Coppola, L., et al. Biobanking in health care: evolution and future directions. J Transl Med. 17 (1), 172 (2019).
- Drost, J., et al. Organoid culture systems for prostate epithelial and cancer tissue. Nat Protoc. 11 (2), 347-358 (2016).
- Clevers, H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 165 (7), 1586-1597 (2016).
- Hill, S. J., et al. Prediction of DNA repair inhibitor response in short-term patient-derived ovarian cancer organoids. Cancer Discov. 8 (11), 1404-1421 (2018).
- Kopper, O., et al. An organoid platform for ovarian cancer captures intra- and interpatient heterogeneity. Nat Med. 25 (5), 838-849 (2019).
- Larsen, B. M., et al. A pan-cancer organoid platform for precision medicine. Cell Rep. 36 (4), 109429 (2021).
- Bartfeld, S., Clevers, H. Stem cell-derived organoids and their application for medical research and patient treatment. J Mol Med (Berl). 95 (7), 729-738 (2017).
- Larsen, B. M., Cancino, A., Shaxted, J. M., Salahudeen, A. A. Protocol for drug screening of patient-derived tumor organoids using high-content fluorescent imaging. STAR Protoc. 3 (2), 101407 (2022).
- Senkowski, W., et al. A platform for efficient establishment and drug-response profiling of high-grade serous ovarian cancer organoids. Dev Cell. 58 (12), 1106-1121 (2023).
- LeSavage, B. L., Suhar, R. A., Broguiere, N., Lutolf, M. P., Heilshorn, S. C. Next-generation cancer organoids. Nat Mater. 21 (2), 143-159 (2022).
- Hoffmann, K., et al. Stable expansion of high-grade serous ovarian cancer organoids requires a low-Wnt environment. EMBO J. 39 (6), e104013 (2020).
- Kessler, M., et al. The Notch and Wnt pathways regulate stemness and differentiation in human fallopian tube organoids. Nat Commun. 6, 8989 (2015).
- Trillsch, F., et al. Protocol to optimize the biobanking of ovarian cancer organoids by accommodating patient-specific differences in stemness potential. STAR Protoc. 4 (3), 102484 (2023).
- Maenhoudt, N., et al. Developing organoids from ovarian cancer as experimental and preclinical models. Stem Cell Reports. 14 (4), 717-729 (2020).
- Fuerer, C., Nusse, R. Lentiviral vectors to probe and manipulate the Wnt signaling pathway. PLoS One. 5 (2), e9370 (2010).
- . Leica ASP300S – Advanced smart processor vacuum tissue processor, instructions for use, V 2.1 Available from: https://www.leicabiosystems.com/sites/default/files/media_product-download/2022-01/Leica_ASP300S_IFU_2v1N_en.pdf (2021)
- Thermo Scientific. . Microm EC350 Modular tissue embedding center Instruction manual. , (2009).
- Nanki, Y., et al. Patient-derived ovarian cancer organoids capture the genomic profiles of primary tumours applicable for drug sensitivity and resistance testing. Sci Rep. 10 (1), 12581 (2020).
