Summary

Beoordeling van tumor Microenvironment van metastasen doorway-gemedieerde vasculaire permeabiliteit geassocieerd met kanker cel verspreiding met behulp van Intravital beeldvorming en vaste weefsel analyse

Published: June 26, 2019
doi:

Summary

We beschrijven twee methoden voor het beoordelen van voorbijgaande vasculaire permeabiliteit geassocieerd met tumor micro omgeving van metastasen (tmem) deuropening functie en kankercel intravasatie met behulp van intraveneuze injectie van hoog-moleculair gewicht (155 kDa) dextran bij muizen. De methoden omvatten intravital beeldvorming in levende dieren en vaste weefsel analyse met behulp van immunofluorescentie.

Abstract

De meest voorkomende oorzaak van kanker gerelateerde sterfte is metastase, een proces dat de verspreiding van kankercellen van de primaire tumor naar secundaire sites vereist. Onlangs hebben we vastgesteld dat kankercel verspreiding in primaire borstkanker en bij gemetastaseerde plaatsen in de longen alleen bij deuropeningen wordt genoemd tumor micro omgeving van metastasen (TMEM). Tmem deuropening nummer is prognostisch voor verre herhaling van gemetastaseerde ziekte bij borstkankerpatiënten. TMEM-deuropeningen bestaan uit een kankercel die het actine-regulerend eiwit Mena in direct contact met een perivasculaire, proangiogene macrofaag, dat een hoog gehalte aan TIE2 en VEGF uitdrukt, waarbij beide cellen strak gebonden zijn aan een bloed het schip endotheliale cel. Kankercellen kunnen intravaseren door middel van tmem doorgangen als gevolg van voorbijgaande vasculaire permeabiliteit georkestreerd door de gezamenlijke activiteit van de tmem-geassocieerde macrofaag en de tmem-geassocieerde Mena-uitdrukken kanker cel. In dit manuscript beschrijven we twee methoden voor de beoordeling van TMEM-gemedieerde voorbijgaande vasculaire permeabiliteit: intravital Imaging en vaste weefsel immunofluorescentie. Hoewel beide methoden hun voor-en nadelen hebben, kan het combineren van de twee de meest complete analyses van TMEM-gemedieerde vasculaire permeabiliteit en micromilieuvereisten voor TMEM-functie bieden. Aangezien het metastatische proces bij borstkanker, en mogelijk andere vormen van kanker, de verspreiding van kankercellen via tmem deuropeningen impliceert, is het essentieel om goed gevestigde methoden te gebruiken voor de analyse van de tmem deuropening activiteit. De twee methoden die hier worden beschreven, bieden een alomvattende benadering van de analyse van tmem deuropening-activiteit, hetzij bij naïeve of farmacologisch behandelde dieren, wat van het allergrootste belang is voor preklinische onderzoeken van agenten die kankercellen voorkomen verspreiding via TMEM.

Introduction

Recente vooruitgang in ons begrip van kanker metastasen hebben blootgelegd dat epitheliale-naar-mesenchymale overgang (EMT) en de inductie van een migratie/invasieve kankercel subpopulatie niet, op zichzelf, voldoende zijn voor hematogene verspreiding 1. inderdaad, er werd eerder gedacht dat metastaserende kankercellen intravasaat door het geheel van kanker-geassocieerde endotheel als de tumor neovasculature wordt vaak gekenmerkt door lage pericyte dekking, en als zodanig, is zeer permeabel en unstable2,3,4. Hoewel zeer suggestief van defecte functies binnen de tumor, vasculaire modificaties tijdens carcinogenese leveren geen bewijs per se dat tumorcellen kunnen doordringen van de bloedvaten gemakkelijk en op een ongecontroleerde manier. Inzichten van intravital Imaging (IVI) studies, waarin tumorcellen zijn fluorescerende-gelabeld en de vasculatuur wordt gelabeld via de intraveneuze injectie van fluorescerende sondes (zoals dextran of Quantum dots), tonen aan dat, terwijl de tumor vaten zijn uniform permeabel tot laag moleculair gewicht dextranen (bv. 70 KD), hoog moleculair gewicht dextranen (155 KD) en tumorcellen kunnen alleen het endotheel oversteken op gespecialiseerde plaatsen van intravasatie die bij voorkeur op vasculaire tak punt5zijn gelegen, 6 , 7. Immunohistochemical (IHC) analyses met behulp van dierlijke modellen en menselijke patiënt afgeleide materialen hebben aangetoond dat deze sites zijn “deuropeningen” die gespecialiseerd zijn in het reguleren van vasculaire permeabiliteit, lokaal en transitief, het verstrekken van een kort venster van kans op migratie/invasieve kankercellen om de circulatie te betreden. Deze deuropeningen worden “tumor micro-omgeving van metastasen” of “tmem” genoemd, en, heel expectedly, de dichtheid correleert met een verhoogd risico op het ontwikkelen van gemetastaseerde ziekte bij borstkankerpatiënten8,9, 10.

Elke tmem deuropening bestaat uit drie verschillende soorten cellen: een perivasculaire macrofaag, een tumor cel die de actin-regulatoire proteïne zoogdier ingeschakeld (Mena) en een endotheelcel in direct fysiek contact met elkaar uitdrukt 5,9,10,11,12,13. De belangrijkste gebeurtenis voor de functie van tmem als een intravasatie deuropening is de gelokaliseerde afgifte van vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF) op het onderliggende vat door de perivasculaire macrofaag14. VEGF kan homotypische kruisingen tussen endotheel cellen15,16,17,18,19, een fenomeen dat resulteert in voorbijgaande vasculaire lekkage verstoren, ook bekend als “barsten” permeabiliteit zoals beschreven in IVI studies 5. Tmem macrofagen is aangetoond dat de tyrosine kinase receptor TIE2 uitdrukken, die nodig is voor VEGF-gemedieerde tmem functie en homing van deze macrofagen aan de perivasculaire niche5,20,21 , 22. naast het reguleren van de verspreiding van kankercellen en metastase zijn TIE2+ macrofagen centrale regulatoren van tumor angiogenese21,22,23, 24,25,26,27,28,29,30,31. Als zodanig, TIE2+ macrofagen vertegenwoordigen een kritische bestanddeel van de tumor micro omgeving en de belangrijkste regulator van de gemetastaseerde Cascade.

Om de TMEM-gemedieerde vasculaire permeabiliteit beter te kunnen conceptualiseren (d.w.z. “barsten”), is het zeer belangrijk om het te onderscheiden van andere vormen van vasculaire permeabiliteit die niet zijn geassocieerd met het oplossen van endotheliale celcelknooppunten. In een intact endotheel (waarvan de nauwe en aanhankings knooppunten niet verstoord zijn), zijn er drie hoofdtypen van vasculaire permeabiliteit: (a) Pinocytose, die kan, of kan niet, worden gekoppeld aan transcytose van het ingezoomde materiaal; b) vervoer van materiaal via endotheel fenestrae; en (c) transport van materiaal via de paracellulaire route, die wordt gereguleerd door endotheliale strakke knooppunten15,16,17,18,19,32 , 33 , 34. Hoewel gedereguleerd in veel tumoren, zijn de bovengenoemde vormen van vasculaire permeabiliteit meestal beschreven in de context van normale weefsel fysiologie en homeostase, waarvan de uitersten weefsels zijn met ofwel beperkte permeabiliteit ( bijvoorbeeld, bloed-hersen barrière, bloed-testis barrière), of overvloedige permeabiliteit (bijvoorbeeld, fenestrated capillairen van het nierglomerulaire apparaat)34,35,36,37.

Met behulp van multiphoton intravital beeldvorming en Multiplexed immunofluorescentie microscopie, we zijn in staat om onderscheid te maken tussen TMEM-gemedieerde vasculaire permeabiliteit (“barsten”) en andere vormen van vasculaire permeabiliteit in borsttumoren. Om dit te bereiken, voeren we een enkelvoudige intraveneuze injectie van een hoog-moleculair gewicht, fluorescently-gelabelde sonde in muizen. Spontane uitbarstende gebeurtenissen kunnen vervolgens worden vastgelegd met intravital imaging in levende muizen; of als alternatief kan extravasatie van de sonde worden gekwantificeerd door co-lokalisatie studies met bloedvasculatuur (bijv. CD31+ of Endomucin+) en tmem-deuropeningen met behulp van immunofluorescentie microscopie. De hier gepresenteerde protocollen beschrijven beide technieken, die zelfstandig of in combinatie met elkaar kunnen worden gebruikt.

Protocol

Alle experimenten met levende dieren moeten worden uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen en verordeningen inzake dieren gebruik en-verzorging. De in deze studie beschreven procedures zijn uitgevoerd in overeenstemming met de nationale instituten voor gezondheidsvoorschriften met betrekking tot de verzorging en het gebruik van proefdieren en met de goedkeuring van het Albert Einstein College voor geneeskunde dierenverzorging en-gebruik Comité (IACUC). 1. evaluatie van “barsten permeab…

Representative Results

De in dit protocol beschreven experimentele procedures worden kort samengevat en geïllustreerd in Figuur 1A-C. Om de TMEM-gemedieerde vasculaire permeabiliteit (“barsten activiteit”) te meten en om experimenteel geluid te verminderen van andere vormen van vasculaire permeabiliteit (d.w.z. transcellulaire en paracellulaire, zoals uitgelegd in de inleiding), voerden we intraveneuze (i.v.) injectie van hoogmoleculair gewichts voelers, zoals 155 kDa …

Discussion

Hier schetsen we twee protocollen die kunnen worden toegepast om een specifiek type vasculaire permeabiliteit te visualiseren en te kwantificeren dat aanwezig is op TMEM-deuropeningen en wordt geassocieerd met de verstoring van vasculaire strakke en aanhekings knooppunten. Dit type vasculaire permeabiliteit is van voorbijgaande aard en wordt gecontroleerd door het tripartiete TMEM-celcomplex, zoals hierboven beschreven5. De mogelijkheid om TMEM-geassocieerde vasculaire permeabiliteit te identifice…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We willen de analytische Imaging Facility (AIF) bedanken in het Albert Einstein College of Medicine voor Imaging support. Dit werk werd gesteund door subsidies van de NCI (P30CA013330, CA150344, CA 100324 en CA216248), de SIG 1S10OD019961-01, het Gruss-Lipper Biophotonics Center en zijn geïntegreerde beeldvormings programma, en Montefiore ‘ s Ruth L. Kirschstein T32 opleidings subsidie van chirurgen voor de studie van de tumor micro Environment (CA200561).

GSK schreef het manuscript samen, voerde Imaging uit voor figuur 1c en 3B, ontwikkelde een protocol voor de analyse van vaste weefsels en analyseerde en interpreteerde alle gegevens; Jmp schreef het manuscript samen en voerde de chirurgie en intravital Imaging uit voor figuur 1b, 2C en 3a; LB & AC voerde de operatie uit en intravital beeldvorming voor figuur 2b; RJ voerde de operatie uit en intravital beeldvorming voor Figuur 2a; JSC schreef het manuscript samen en analyseerde en interpreteerde alle gegevens; MHO schreef het manuscript samen en analyseerde en interpreteerde alle gegevens; en de voerde de operatie en intravital beeldvorming voor figuur 2D, co-schreef het manuscript, ontwikkelde vaste weefsel analyse en intravital Imaging protocollen, en geanalyseerd en geïnterpreteerd alle gegevens.

Materials

Anti-rabbit IgG (Alexa 488) Life Technologies Corporation A-11034
Anti-rat IgG (Alexa 647) Life Technologies Corporation A-21247
Bovine Serum Albumin Fisher Scientific BP1600-100
Citrate Eng Scientific Inc 9770
Cover Glass Slips Electron Microscopy Sciences 72296-08
Cyanoacrylate Adhesive Henkel Adhesive 1647358
DAPI Perkin Elmer FP1490
Dextran-Tetramethyl-Rhodamine Sigma Aldrich T1287
DMEM/F12 Gibco 11320-033
Endomucin (primary antibody) Santa Cruz Biotechnology sc-65495
Enrofloxacin Bayer 84753076 v-06/2015
Fetal Bovine Serum Sigma Aldrich F2442
Fish Skin Gelatin Fisher Scientific G7765
Insulin Syringe Becton Dickinson 309659
Isofluorane Henry Schein NDC 11695-6776-2
Matrigel Corning CB40234 Artificial extracellular matrix
Needle (30 G) Becton Dickinson 305128
Phosphate Buffered Saline Life Technologies Corporation PBS
Polyethylene Tubing Scientific Commodities Inc BB31695-PE/1
Pulse Oximeter Kent Scientific MouseOx
Puralube Vet Ointment Dechra NDC 17033-211-38
Quantum Dots Life Technologies Corporation Q21561MP
Rubber McMaster Carr 1310N14
TMR (primary antibody) Invitrogen A6397
Tween-20 MP Biologicals TWEEN201
Xylene Fisher Scientific 184835

Riferimenti

  1. Karagiannis, G. S., Goswami, S., Jones, J. G., Oktay, M. H., Condeelis, J. S. Signatures of breast cancer metastasis at a glance. Journal of Cell Science. 129 (9), 1751-1758 (2016).
  2. Hanahan, D., Weinberg, R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 144 (5), 646-674 (2011).
  3. Raza, A., Franklin, M. J., Dudek, A. Z. Pericytes and vessel maturation during tumor angiogenesis and metastasis. American Journal of Hematology. 85 (8), 593-598 (2010).
  4. Pietras, K., Ostman, A. Hallmarks of cancer: interactions with the tumor stroma. Experimental Cell Research. 316 (8), 1324-1331 (2010).
  5. Harney, A. S., et al. Real-Time Imaging Reveals Local, Transient Vascular Permeability, and Tumor Cell Intravasation Stimulated by TIE2hi Macrophage-Derived VEGFA. Cancer Discovery. 5 (9), 932-943 (2015).
  6. Kedrin, D., et al. Intravital imaging of metastatic behavior through a mammary imaging window. Nature Methods. 5 (12), 1019-1021 (2008).
  7. Wyckoff, J. B., et al. Direct visualization of macrophage-assisted tumor cell intravasation in mammary tumors. Ricerca sul cancro. 67 (6), 2649-2656 (2007).
  8. Sparano, J. A., et al. A metastasis biomarker (MetaSite Breast Score) is associated with distant recurrence in hormone receptor-positive, HER2-negative early-stage breast cancer. npj Breast Cancer. 3, 42 (2017).
  9. Rohan, T. E., et al. Tumor microenvironment of metastasis and risk of distant metastasis of breast cancer. Journal of the National Cancer Institute. 106 (8), (2014).
  10. Robinson, B. D., et al. Tumor microenvironment of metastasis in human breast carcinoma: a potential prognostic marker linked to hematogenous dissemination. Clinical Cancer Research. 15 (7), 2433-2441 (2009).
  11. Pignatelli, J., et al. Invasive breast carcinoma cells from patients exhibit MenaINV- and macrophage-dependent transendothelial migration. Science Signaling. 7 (353), 112 (2014).
  12. Oktay, M. H., Jones, J. G. TMEM: a novel breast cancer dissemination marker for the assessment of metastatic risk. Biomarkers in Medicine. 9 (2), 81-84 (2015).
  13. Roussos, E. T., et al. Mena invasive (Mena(INV)) and Mena11a isoforms play distinct roles in breast cancer cell cohesion and association with TMEM. Clinical & Experimental Metastasis. 28 (6), 515-527 (2011).
  14. Harney, A. S., et al. The Selective Tie2 Inhibitor Rebastinib Blocks Recruitment and Function of Tie2(Hi) Macrophages in Breast Cancer and Pancreatic Neuroendocrine Tumors. Molecular Cancer Therapeutics. 16 (11), 2486-2501 (2017).
  15. Bates, D. O., Lodwick, D., Williams, B. Vascular endothelial growth factor and microvascular permeability. Microcirculation. 6 (2), 83-96 (1999).
  16. Lee, Y. C. The involvement of VEGF in endothelial permeability: a target for anti-inflammatory therapy. Current Opinion in Investigational Drugs. 6 (11), 1124-1130 (2005).
  17. Roberts, W. G., Palade, G. E. Neovasculature induced by vascular endothelial growth factor is fenestrated. Ricerca sul cancro. 57 (4), 765-772 (1997).
  18. Stan, R. V., et al. Immunoisolation and partial characterization of endothelial plasmalemmal vesicles (caveolae). Molecular Biology of the Cell. 8 (4), 595-605 (1997).
  19. Roberts, W. G., Palade, G. E. Increased microvascular permeability and endothelial fenestration induced by vascular endothelial growth factor. Journal of Cell Science. 108, 2369-2379 (1995).
  20. Arwert, E. N., et al. A Unidirectional Transition from Migratory to Perivascular Macrophage Is Required for Tumor Cell Intravasation. Cell Reports. 23 (5), 1239-1248 (2018).
  21. Kadioglu, E., De Palma, M. Cancer Metastasis: Perivascular Macrophages Under Watch. Cancer Discovery. 5 (9), 906-908 (2015).
  22. Hughes, R., et al. Perivascular M2 Macrophages Stimulate Tumor Relapse after Chemotherapy. Ricerca sul cancro. 75 (17), 3479-3491 (2015).
  23. Riabov, V., et al. Role of tumor associated macrophages in tumor angiogenesis and lymphangiogenesis. Frontiers in Physiology. 5, 75 (2014).
  24. Squadrito, M. L., De Palma, M. Macrophage regulation of tumor angiogenesis: implications for cancer therapy. Molecular Aspects of Medicine. 32 (2), 123-145 (2011).
  25. Ferrara, N. Role of myeloid cells in vascular endothelial growth factor-independent tumor angiogenesis. Current Opinion in Hematology. 17 (3), 219-224 (2010).
  26. Solinas, G., Germano, G., Mantovani, A., Allavena, P. Tumor-associated macrophages (TAM) as major players of the cancer-related inflammation. Journal of Leukocyte Biology. 86 (5), 1065-1073 (2009).
  27. Venneri, M. A., et al. Identification of proangiogenic TIE2-expressing monocytes (TEMs) in human peripheral blood and cancer. Blood. 109 (12), 5276-5285 (2007).
  28. Lewis, C. E., De Palma, M., Naldini, L. Tie2-expressing monocytes and tumor angiogenesis: regulation by hypoxia and angiopoietin-2. Ricerca sul cancro. 67 (18), 8429-8432 (2007).
  29. Mazzieri, R., et al. Targeting the ANG2/TIE2 axis inhibits tumor growth and metastasis by impairing angiogenesis and disabling rebounds of proangiogenic myeloid cells. Cancer Cell. 19 (4), 512-526 (2011).
  30. Lewis, C. E., Ferrara, N. Multiple effects of angiopoietin-2 blockade on tumors. Cancer Cell. 19 (4), 431-433 (2011).
  31. Gabrusiewicz, K., et al. Anti-vascular endothelial growth factor therapy-induced glioma invasion is associated with accumulation of Tie2-expressing monocytes. Oncotarget. 5 (8), 2208-2220 (2014).
  32. Karagiannis, G. S., Condeelis, J. S., Oktay, M. H. Chemotherapy-induced metastasis: mechanisms and translational opportunities. Clinical & Experimental Metastasis. , (2018).
  33. Senger, D. R., et al. Tumor cells secrete a vascular permeability factor that promotes accumulation of ascites fluid. Science. 219 (4587), 983-985 (1983).
  34. Obermeier, B., Verma, A., Ransohoff, R. M. The blood-brain barrier. Handbook of Clinical Neurology. 133, 39-59 (2016).
  35. Satchell, S. C., Braet, F. Glomerular endothelial cell fenestrations: an integral component of the glomerular filtration barrier. American Journal of Physiology: Renal Physiology. 296 (5), 947-956 (2009).
  36. Stan, R. V. Endothelial stomatal and fenestral diaphragms in normal vessels and angiogenesis. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 11 (4), 621-643 (2007).
  37. Mruk, D. D., Cheng, C. Y. The Mammalian Blood-Testis Barrier: Its Biology and Regulation. Endocrine Reviews. 36 (5), 564-591 (2015).
  38. Entenberg, D., et al. Imaging Tumor Cell Movement in Vivo. Current Protocols in Cell Biology. 58 (1), 1-19 (2013).
  39. Entenberg, D., et al. Setup and use of a two-laser multiphoton microscope for multichannel intravital fluorescence imaging. Nature Protocols. 6 (10), 1500-1520 (2011).
  40. Sasmono, R. T., et al. A macrophage colony-stimulating factor receptor-green fluorescent protein transgene is expressed throughout the mononuclear phagocyte system of the mouse. Blood. 101 (3), 1155-1163 (2003).
  41. Ovchinnikov, D. A., et al. Expression of Gal4-dependent transgenes in cells of the mononuclear phagocyte system labeled with enhanced cyan fluorescent protein using Csf1r-Gal4VP16/UAS-ECFP double-transgenic mice. Journal of Leukocyte Biology. 83 (2), 430-433 (2008).
  42. Entenberg, D., et al. Time-lapsed, large-volume, high-resolution intravital imaging for tissue-wide analysis of single cell dynamics. Methods. 128, 65-77 (2017).
  43. Pastoriza, J. M., et al. Black race and distant recurrence after neoadjuvant or adjuvant chemotherapy in breast cancer. Clinical & Experimental Metastasis. , (2018).
  44. Williams, J. K., et al. Validation of a device for the active manipulation of the tumor microenvironment during intravital imaging. Intravital. 5 (2), 1182271 (2016).
  45. Harney, A. S., Wang, Y., Condeelis, J. S., Entenberg, D. Extended Time-lapse Intravital Imaging of Real-time Multicellular Dynamics in the Tumor Microenvironment. Journal of Visualized Experiments. (112), e54042 (2016).
  46. Entenberg, D., et al. A permanent window for the murine lung enables high-resolution imaging of cancer metastasis. Nature Methods. 15 (1), 73-80 (2018).
  47. Roussos, E. T., et al. Mena invasive (MenaINV) promotes multicellular streaming motility and transendothelial migration in a mouse model of breast cancer. Journal of Cell Science. 124, 2120-2131 (2011).
  48. Karagiannis, G. S., et al. Neoadjuvant chemotherapy induces breast cancer metastasis through a TMEM-mediated mechanism. Science Translational Medicine. 9 (397), (2017).
  49. Chang, Y. S., Jalgaonkar, S. P., Middleton, J. D., Hai, T. Stress-inducible gene Atf3 in the noncancer host cells contributes to chemotherapy-exacerbated breast cancer metastasis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (34), 7159-7168 (2017).
  50. Jain, R. K. Normalization of tumor vasculature: an emerging concept in antiangiogenic therapy. Science. 307 (5706), 58-62 (2005).
  51. Winkler, F., et al. Kinetics of vascular normalization by VEGFR2 blockade governs brain tumor response to radiation: role of oxygenation, angiopoietin-1, and matrix metalloproteinases. Cancer Cell. 6 (6), 553-563 (2004).
  52. Goel, S., et al. Normalization of the vasculature for treatment of cancer and other diseases. Physiological Reviews. 91 (3), 1071-1121 (2011).
  53. Jain, R. K. Normalizing tumor microenvironment to treat cancer: bench to bedside to biomarkers. Journal of Clinical Oncology. 31 (17), 2205-2218 (2013).
  54. Carmeliet, P., Jain, R. K. Principles and mechanisms of vessel normalization for cancer and other angiogenic diseases. Nature Reviews Drug Discovery. 10 (6), 417-427 (2011).
  55. Meijer, E. F., Baish, J. W., Padera, T. P., Fukumura, D. Measuring Vascular Permeability In Vivo. Methods in Molecular Biology. 1458, 71-85 (2016).

Play Video

Citazione di questo articolo
Karagiannis, G. S., Pastoriza, J. M., Borriello, L., Jafari, R., Coste, A., Condeelis, J. S., Oktay, M. H., Entenberg, D. Assessing Tumor Microenvironment of Metastasis Doorway-Mediated Vascular Permeability Associated with Cancer Cell Dissemination using Intravital Imaging and Fixed Tissue Analysis. J. Vis. Exp. (148), e59633, doi:10.3791/59633 (2019).

View Video