Melanom Metastazının Yeni Arabulucularının Belirlenmesi için Sağlam Bir Keşif Platformu
Summary
Bu makalede, melanom metastazının yeni aday aracılarını ve etki mekanizmalarını test etmek için kullanılan tekniklerin bir iş akışı açıklanmaktadır.
Abstract
Metastaz, hücrelerin in vitro tahlillerle sadece eksik modellenen engellerin üstesinden gelmelerini gerektiren karmaşık bir süreçtir. Melanom metastazındaki yeni oyuncuları tanımlamak için sağlam, tekrarlanabilir in vivo modeller ve standartlaştırılmış yöntemler kullanılarak sistematik bir iş akışı oluşturulmuştur. Bu yaklaşım, bir genin metastazdaki rolünü tam olarak karakterize etmek için belirli deneysel aşamalarda veri çıkarımına izin verir. Modeller, genetiği değiştirilmiş melanom hücrelerinin intrakardiyak, intradermal veya subkutan enjeksiyonlar yoluyla farelere sokulması ve ardından seri in vivo görüntüleme ile izlenmesiyle oluşturulur. Önceden belirlenmiş son noktalara ulaşıldıktan sonra, primer tümörler ve / veya metastaz taşıyan organlar toplanır ve çeşitli analizler için işlenir. Tümör hücreleri, tek hücreli RNA dizilimi de dahil olmak üzere çeşitli ‘omik’ platformlardan herhangi birine sıralanabilir ve tabi tutulabilir. Organlar, metastazların genel yükünü ölçmek ve spesifik anatomik konumlarını haritalamak için görüntüleme ve immünohistopatolojik analizlere tabi tutulur. Engraftma, izleme, doku hasadı, işleme ve analiz için standartlaştırılmış protokoller de dahil olmak üzere bu optimize edilmiş boru hattı, hasta tarafından türetilmiş, kısa vadeli kültürler ve çeşitli katı kanser türlerinin insan ve murin hücre hatları için benimsenebilir.
Introduction
Metastatik melanom ile ilişkili yüksek mortalite, dünya çapında melanom insidansının artmasıyla birleştiğinde1 (2025 yılına kadar tahminen% 7.86’lık bir artış) yeni tedavi yaklaşımları gerektirmektedir. Hedef keşfindeki ilerlemeler, oldukça karmaşık bir süreç olan tekrarlanabilir metastaz modellerine dayanmaktadır. Metastatik kaskadın adımları boyunca, melanom hücreleri bağışıklık sisteminden kaçmak ve uzak dokuların kolonizasyonunu sağlamak için sayısız engelin üstesinden gelmelidir2. Melanom hücrelerinin esnekliği ve uyarlanabilirliği, yüksek genetik mutasyon yükü 3 ve nöral tepe kökeni de dahil olmak üzere çok sayıda faktörden kaynaklanır ve bu da çok önemli fenotipik plastisite 3,4,5’i sağlar. Her adımda, transkripsiyonel programlar, metastaz yapan melanom hücrelerinin, bağışıklık sistemi6, hücre dışı ortam 7,8 ve temas ettikleri fizikselbariyerlerin hücresel mimarisini içeren mikro çevre ile çapraz konuşmadan gelen ipuçlarına dayanarak bir durumdan diğerine geçmesine izin verir. Örneğin, melanom hücreleri, önemli bağışıklık astarlayıcı tümör salgılanan faktörlerin ekspresyonunu azaltarak bağışıklık gözetimindenkaçarlar 6.
Çalışmalar, melanom hücrelerinin metastaz10 için uzak “hedef” organı hazırlamak için kemokinler ve sitokinler salgıladığı bir “premetastatik niş” tanımlamaktadır. Bu bulgular, metastatik melanom hücrelerinin organ tropizmi ve uzak dokulara erişmek için izledikleri anatomik yol hakkında önemli sorular ortaya çıkarmaktadır. İntravazasyondan sonra, melanom hücrelerinin lenfatikler (lenfatik yayılım) ve kan damarları (hematojen yayılım) yoluyla metastaz yaptıkları bilinmektedir2,11. Hastaların çoğu lokalize hastalık ile başvururken, olguların küçük bir alt kümesi uzak metastatik hastalık ile başvurmakta ve lenfatik yayılım göstermemektedir (negatif lenf nodu tutulumu)11, melanom için alternatif metastatik yolakların varlığını düşündürmektedir.
Metastatik bir bölgeyi kolonize ettiklerinde, melanom hücreleri epigenetik ve metabolik adaptasyonlara uğrar12,13. Yeni bölmelere erişmek ve istila etmek için, melanom hücreleri proteazlar 14 ve sitoiskelet modifikasyonları11,15 kullanır, bu da yeni konumlarına geçmelerini ve büyümelerini sağlar. Melanom hücrelerini hedeflemedeki zorluk, bu tür adaptasyonların karmaşıklığında ve sayısında yatmaktadır; Bu nedenle, alan mümkün olduğunca çok sayıda adımı ve uyarlamayı deneysel olarak yeniden yaratmak için çaba göstermelidir. Organoidler ve 3D kültürler16,17 gibi in vitro tahlillerdeki sayısız ilerlemeye rağmen, bu modeller sadece in vivo metastatik kaskadı tam olarak özetlememektedir.
Murin modelleri, tekrarlanabilirlik, teknik fizibilite ve insan hastalığının simülasyonu arasında bir denge kurarak değer göstermiştir. İntravasküler, ortopik ve heterotopik olarak implante edilmiş melanom hücreleri, hasta kaynaklı ksenogreftlerden veya kısa süreli kültürlerden bağışıklık sistemi baskılanmış veya insanlaştırılmış farelere metastatik melanomda hedef keşfinin bel kemiğini temsil eder. Bununla birlikte, bu sistemler genellikle metastaz üzerinde çok önemli bir biyolojik kısıtlamadan yoksundur: bağışıklık sistemi. Bu kısıtlamaya sahip olan sinjenik melanom metastazı modelleri bu alanda nispeten azdır. B16-F1018, YUMM hücre hatları ailesi 19, SM1 20, D4M3 21, RIM3 22veya daha yakın zamanda immünokompetan farelerde geliştirilen bu sistemler, RMS 23 veM1 (Mel114433), M3 (HCmel1274), M4 (B2905) 24 melanom hücre hatları dahil olmak üzere, melanom progresyonunda konakçı immün yanıtının karmaşık rolünün araştırılmasını kolaylaştırır.
Burada, melanom metastazı hedef tanımlaması için bir boru hattı sunulmaktadır. Melanom hasta kohortlarından üretilen artan ve daha büyük ‘omik’ veri kümeleri ile, en klinik vaat eden çalışmaların, büyük veri entegrasyonundan kaynaklanan çalışmalar olduğunu ve titiz fonksiyonel ve mekanik sorgulamaya yol açtığını varsayıyoruz25,26,27,28. Metastatik süreçteki potansiyel hedefleri incelemek için fare modellerini kullanarak, in vivo-spesifik olayları ve doku etkileşimlerini açıklayabilir, böylece klinik çeviri olasılığını artırabilir. Metastatik yükü ölçmek için birden fazla yöntem özetlenmiş ve herhangi bir deneyin sonuçları hakkında tamamlayıcı veriler sağlanmıştır. Çeşitli organlardaki tümörlerden tek hücreli izolasyon için bir protokol, metastatik hücrelerde gen ekspresyonunun tarafsız karakterizasyonuna yardımcı olmak için tanımlanmıştır, bu da tek hücreli veya toplu RNA diziliminden önce gelebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu teknik raporun amacı, melanom metastazındaki potansiyel aktörlerin araştırılması için standartlaştırılmış, yukarıdan aşağıya bir iş akışı sunmaktır. İn vivo deneyler maliyetli ve zaman alıcı olabileceğinden, verimliliği en üst düzeye çıkarma ve elde edilen bilgilerin değerini artırma stratejileri çok önemlidir.
Aynı deneydeki bulguları çapraz doğrulamak için tamamlayıcı yaklaşımların kullanılması zorunludur. Örneğin, hem NuMA immüno…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NYU Langone Health’teki İleri Araştırma Teknolojileri Bölümü’ne (DART) ve özellikle Perlmutter Kanser Merkezi Destek Hibe / NCI 5P30CA016087 tarafından kısmen desteklenen Deneysel Patoloji Araştırma Laboratuvarı, Genom Teknoloji Merkezi, Sitometri ve Hücre Sıralama Laboratuvarı, Klinik Öncesi Görüntüleme Çekirdeği’ne teşekkür ederiz. NYU Disiplinlerarası Melanom İşbirliği Grubu’na (PI: Dr. Iman Osman), IRB onaylı protokoller (Universal Consent study #s16-00122 ve Interdisciplinary Melanom Cooperative Group study #10362) aracılığıyla elde edilen hasta kaynaklı melanom kısa süreli kültürlerine+ (10-230BM ve 12-273BM) erişim sağladığı için teşekkür ederiz. 113/6-4L ve 131/4-5B1 melanom hücre hatları* sağladığı için Dr. Robert Kerbel’e (Toronto Üniversitesi) ve WM 4265-2, WM 4257s-1, WM 4257-2 melanom kısa süreli kültürleri sağladığı için Dr. Meenhard Herlyn’e (Wistar Enstitüsü) teşekkür ederiz**. E.H., NIH / NCI R01CA243446, P01CA206980, Amerikan Kanser Derneği-Melanom Araştırma İttifakı Ekibi Bilim Ödülü ve bir NIH Melanom SPORE (NCI P50 CA225450; PI: I.O.). Şekil 1, Biorender.com ile oluşturulmuştur.
Materials
| #15 Scapel Blade | WPI | 500242 | For surgical procedures |
| #3 Scapel Handle | WPI | 500236 | For surgical procedures |
| 1 mL Tuberculin syringe, slip tip | BD | 309626 | Injections |
| 10 mL syringe, slip tip | BD | 301029 | Perfusion |
| 10% Formalin Sodium Buffered | EK Industries | 4499-20L | For perfusion/tissue fixative |
| 15 mL Conical | Corning | 430052 | Cell culture |
| 15 mL Conical Polypropylene Centrifuge Tubes | Falcon | 352196 | Cell culture |
| 200 Proof Ethanol | Deacon Labs | 04-355-223 | Histology |
| 22G – 22mm needle | BD | 305156 | Perfusion |
| 4-0 Vicryl Suture | Ethicon | J464G | Suture |
| 4% Carson's phosphate buffered paraformaldehyde | EMS | 15733-10 | For perfusion/tissue fixative |
| 40µm | Corning | 431750 | Tissue processing |
| 5-0 Absorbable Suture | Ethicon | 6542000 | Closure |
| 50 mL Conical | Corning | 430828 | Cell culture |
| 50mL Conical Polypropylene Centrifuge Tubes | Falcon | 352070 | Cell culture |
| 7-0 Silk suture | FST | 18020-70 | Ligature |
| 70µm | Corning | 431751 | Tissue processing |
| Anti-fade mounting media | Vector Labs | H-1000-10 | Immunofluorescence |
| Approximator applying Forceps, 10cm | WPI | 14189 | For microsurgical procedures |
| Avance | Bruker | 3 HD | NMR Console |
| Biospec 7030 | Bruker | 7030 | Micro MRI |
| BSA | Bioreg | A941 | NuMA Staining |
| Castroviejo suturing forceps, straight tips 5.5mm tying platform, 11cm | WPI | WP5025501 | For microsurgical procedures |
| Coplin Staining Jar | Bel-Art | F44208-1000 | Histology |
| DAPI | Sigma-Aldrich | D9542-1MG | Immunofluorescence |
| dCas9-KRAB | Addgene | 110820 | Genetic manipulation |
| DNase I | NEB | M0303L | Tissue processing |
| DPBS | Corning | 21-030-CM | Tissue processing |
| Extra Sharp Uncoated Single Edge Blade | GEM | 62-0167 | Tissue processing |
| Extracellular Matrix Substrate | Corning | 354234 | Consider the Growth Factor Reduced ( as alternative |
| FBS | Cytiva | SH30910.03 | Cell culture |
| Fiji Image J | Fiji Image J | Software | Immunofluorescence |
| Goat anti-rabbit HRP conjugated multimer | Thermo Fisher | A16104 | NuMA Staining |
| Goat Serum | Gibco | PCN5000 | Immunofluorescence |
| HBSS | Corning | 21-020-CV | Tissue processing |
| Hematoxylin | Richard-Allan Scientific | 7231 | Histology |
| Illumina III | PerkinElmer | CLS136334 | BLI Instrument |
| Insulin syringe 28G – 8mm needle | BD | 329424 | Injections |
| Insulin syringe 31G – 6mm needle | BD | 326730 | Injections |
| Iris Forceps, 10.2cm, Full Curve, serrated | WPI | 504478 | For perfusion and surgical procedures |
| Isoflurane USP | Covetrus | 11695067772 | Anesthesia |
| Jewelers #7 Forceps Titanium 11 cm 0.07 x 0.01 mm Tip | WPI | WP6570 | For microsurgical procedures |
| Ketamine HCl 100mg/mL | Mylan Ind. | 1049007 | Anesthesia |
| lentiCRISPRv2 | Addgene | 98290 | Genetic manipulation |
| Lycopersicon Esculentum (Tomato) Lectin, DyLight 649 | Invitrogen | L32472 | Vascular endothelial cells marker |
| MEM non-essential amino acids X 100 | Corning | 25-025-CI | Cell culture |
| Metzenbaum Scissors | WPI | 503269 | For surgical procedures |
| Microinjection Unit | KOPF | 5000 | Intracardiac injections |
| NaCl | Fisher | S25877 | NuMA Staining |
| Needle 30G x 25mm | BD | 305128 | Intracardiac Injection |
| Needle 33G x 15mm | Hamilton | 7747-01 | Intracarotid Injection |
| Needle holder, Castroviejo, 14cm, with lock, 1.2mm Serrated Jaws | WPI | 14137-G | For microsurgical procedures |
| NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ mice | The Jackson Laboratory | 005557 | Murine model |
| NU/J mice | The Jackson Laboratory | 002019 | Murine model |
| Nuclear Mitotic Apparatus Protein polyclonal rabbit anti-human | Abcam | 97585 | NuMA Staining |
| Penicillin-Streptomycin 10000U/mL | Gibco | 15140122 | Cell culture |
| Percoll | GE | 0891-01 | density separation solution |
| PI Classic Surgical Gloves | Cardinal Health | 2D72PT75X | Surgery |
| pLKO Tet-On | Addgene | 21915 | Genetic manipulation |
| Povidone-Iodine 10% Solution | Medline | MDS093943 | Surgery |
| Proparacaine Drops 0.5% | Akorn Pharma | AX0501 | Opthalmic local anesthetic |
| Puralube Petrolatum Opthalmic Ointment | Dechra | 83592 | Anesthesia |
| Razor Blade Double Edge Blades | EMS | 72000 | Shaving and Vibrotome Brain Slicing |
| Reflex 9mm EZ Clip | Braintree | EZC- KIT | Wound closure |
| RPMI 1640 | Corning | 10-040-CM | Cell culture |
| Scissors, Spring 10.5cm Str, 8mm Blades | WPI | 501235 | For microsurgical procedures |
| Semi-Automatic Vibrating Blade Microtome | Leica | VT1200 | Brain Slice Immunofluorescence |
| Single Channel Anesthesia Vaporizer System | Kent Scientific | VetFlo-1210S | Anesthesia |
| Smartbox Tabletop Chamber System and Exhaust Blower | EZ Systems | TT4000 | CO2 Euthanasia |
| Sterile Fenestrated Disposable Drape | Medline | NON21002 | Surgery |
| Sterile Non-Reinforced Aurora Surgical Gowns with Set-In Sleeves | Medline | DYNJP2715 | Surgery |
| T25 Flask | Corning | 430639 | Cell culture |
| Tris | Corning | 46-031-CM | NuMA Staining |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-500ML | Immunofluorescence |
| Troutman tying forceps, 10cm, Curved G pattern, 0.52mm tip with tying platform | WPI | WP505210 | For microsurgical procedures |
| Vessel clips 10G Pressure 5x 0.8mm Jaws, 5/pkg | WPI | 15911 | For microsurgical procedures |
| Visiopharm | Visiopharm | Visiopharm | NuMA Staining Quantification Software |
| Xylasine 100mg/mL | Akorn Pharma | 59399-111-50 | Anesthesia |
| Xylene | Fisher | X3P-1GAL | Histology |
Riferimenti
- Sung, H., et al. Global Cancer Statistics 2020: GLOBOCAN Estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA: A Cancer Journal for Clinicians. 71 (3), 209-249 (2021).
- Adler, N. R., Haydon, A., McLean, C. A., Kelly, J. W., Mar, V. J. Metastatic pathways in patients with cutaneous melanoma. Pigment Cell Melanoma Research. 30 (1), 13-27 (2017).
- Platz, A., Egyhazi, S., Ringborg, U., Hansson, J. Human cutaneous melanoma; a review of NRAS and BRAF mutation frequencies in relation to histogenetic subclass and body site. Molecular Oncology. 1 (4), 395-405 (2008).
- Alonso, S. R., et al. A high-throughput study in melanoma identifies epithelial-mesenchymal transition as a major determinant of metastasis. Ricerca sul cancro. 67 (7), 3450-3460 (2007).
- Rowe, C. J., Khosrotehrani, K. Clinical and biological determinants of melanoma progression: Should all be considered for clinical management. Australasian Journal of Dermatology. 57 (3), 175-181 (2016).
- Plebanek, M. P., et al. Pre-metastatic cancer exosomes induce immune surveillance by patrolling monocytes at the metastatic niche. Nature Communications. 8 (1), 1319 (2017).
- Orgaz, J. L., et al. Loss of pigment epithelium-derived factor enables migration, invasion and metastatic spread of human melanoma. Oncogene. 28 (47), 4147-4161 (2009).
- Ladhani, O., Sanchez-Martinez, C., Orgaz, J. L., Jimenez, B., Volpert, O. V. Pigment epithelium-derived factor blocks tumor extravasation by suppressing amoeboid morphology and mesenchymal proteolysis. Neoplasia. 13 (7), 633-642 (2011).
- Ju, R. J., Stehbens, S. J., Haass, N. K. The role of melanoma cell-stroma interaction in cell motility, invasion, and metastasis. Frontiers in Medicine – Dermatology. 5, 307 (2018).
- Wiley, H. E., Gonzalez, E. B., Maki, W., Wu, M. T., Hwang, S. T. Expression of CC chemokine receptor-7 and regional lymph node metastasis of B16 murine melanoma. Journal of the National Cancer Institute. 93 (21), 1638-1643 (2001).
- Meier, F., et al. Metastatic pathways and time courses in the orderly progression of cutaneous melanoma. British Journal of Dermatology. 147 (1), 62-70 (2002).
- Turner, N., Ware, O., Bosenberg, M. Genetics of metastasis: melanoma and other cancers. Clinical & Experimental Metastasis. 35 (5-6), 379-391 (2018).
- Ubellacker, J. M., et al. Lymph protects metastasizing melanoma cells from ferroptosis. Nature. 585 (7823), 113-118 (2020).
- Cukierman, E., Pankov, R., Stevens, D. R., Yamada, K. M. Taking cell-matrix adhesions to the third dimension. Science. 294 (5547), 1708-1712 (2001).
- Cunningham, C. C., et al. Actin-binding protein requirement for cortical stability and efficient locomotion. Science. 255 (5042), 325-327 (1992).
- Unger, C., et al. Modeling human carcinomas: physiologically relevant 3D models to improve anti-cancer drug development. Advanced Drug Delivery Reviews. 79-80, 50-67 (2014).
- Fong, E. L., Harrington, D. A., Farach-Carson, M. C., Yu, H. Heralding a new paradigm in 3D tumor modeling. Biomaterials. 108, 197-213 (2016).
- Nakamura, K., et al. Characterization of mouse melanoma cell lines by their mortal malignancy using an experimental metastatic model. Life Science. 70 (7), 791-798 (2002).
- Meeth, K., Wang, J. X., Micevic, G., Damsky, W., Bosenberg, M. W. The YUMM lines: a series of congenic mouse melanoma cell lines with defined genetic alterations. Pigment Cell Melanoma Research. 29 (5), 590-597 (2016).
- Koya, R. C., et al. BRAF inhibitor vemurafenib improves the antitumor activity of adoptive cell immunotherapy. Ricerca sul cancro. 72 (16), 3928-3937 (2012).
- Jenkins, M. H. Multiple murine BRaf(V600E) melanoma cell lines with sensitivity to PLX4032. Pigment Cell Melanoma Research. 27 (3), 495-501 (2014).
- Tuncer, E., et al. SMAD signaling promotes melanoma metastasis independently of phenotype switching. The Journal of Clinical Investigation. 129 (7), 2702-2716 (2019).
- Schwartz, H., et al. Incipient Melanoma Brain Metastases Instigate Astrogliosis and Neuroinflammation. Ricerca sul cancro. 76 (15), 4359-4371 (2016).
- Perez-Guijarro, E., et al. Multimodel preclinical platform predicts clinical response of melanoma to immunotherapy. Nature Medicine. 26 (5), 781-791 (2020).
- Krepler, C., et al. A Comprehensive Patient-Derived Xenograft Collection Representing the Heterogeneity of Melanoma. Cell Reports. 21 (7), 1953-1967 (2017).
- Agrawal, P., et al. A systems biology approach identifies FUT8 as a driver of melanoma metastasis. Cell. 31 (6), 804-819 (2017).
- Hanniford, D., et al. Epigenetic silencing of CDR1as drives IGF2BP3-mediated melanoma invasion and metastasis. Cancer Cell. 37 (1), 55-70 (2020).
- Kim, H., et al. PRMT5 control of cGAS/STING and NLRC5 pathways defines melanoma response to antitumor immunity. Science Translational Medicine. 12 (551), (2020).
- de Miera, E. V., Friedman, E. B., Greenwald, H. S., Perle, M. A., Osman, I. Development of five new melanoma low passage cell lines representing the clinical and genetic profile of their tumors of origin. Pigment Cell Melanoma Research. 25 (3), 395-397 (2012).
- Morsi, A., et al. Development and characterization of a clinically relevant mouse model of melanoma brain metastasis. Pigment Cell Melanoma Research. 26 (5), 743-745 (2013).
- Huynh, C., et al. Efficient in vivo microRNA targeting of liver metastasis. Oncogene. 30 (12), 1481-1488 (2011).
- Zou, C., et al. Experimental variables that affect human hepatocyte AAV transduction in liver chimeric mice. Molecular Therapy Methods and Clinical Development. 18, 189-198 (2020).
- Kleffman, K., et al. Melanoma-secreted Amyloid Beta Suppresses Neuroinflammation and Promotes Brain Metastasis. bioRxiv. , 854885 (2019).
- Curtis, A., Calabro, K., Galarneau, J. R., Bigio, I. J., Krucker, T. Temporal variations of skin pigmentation in C57BL/6 mice affect optical bioluminescence quantitation. Molecular Imaging and Biology. 13 (6), 1114-1123 (2011).
- Sil, P., Wong, S. W., Martinez, J. More than skin deep: autophagy is vital for skin barrier function. Frontiers in Immunology. 9, 1376 (2018).
- Chen, S., et al. Genome-wide CRISPR screen in a mouse model of tumor growth and metastasis. Cell. 160 (6), 1246-1260 (2015).
- Hart, T., et al. High-resolution CRISPR screens reveal fitness genes and genotype-specific cancer liabilities. Cell. 163 (6), 1515-1526 (2015).
- Wang, T., et al. Identification and characterization of essential genes in the human genome. Science. 350 (6264), 1096-1101 (2015).
- Edgar, R., Domrachev, M., Lash, A. E. Gene Expression Omnibus: NCBI gene expression and hybridization array data repository. Nucleic Acids Research. 30 (1), 207-210 (2002).
- Lappalainen, I., et al. The European Genome-phenome Archive of human data consented for biomedical research. Nature Genetics. 47 (7), 692-695 (2015).
- Cerami, E., et al. The cBio cancer genomics portal: an open platform for exploring multidimensional cancer genomics data. Cancer Discovery. 2 (5), 401-404 (2012).
- Grossman, R. L., et al. Toward a shared vision for cancer genomic data. New England Journal of Medicine. 375 (12), 1109-1112 (2016).
