תכנות מחדש של אדנוקרצינומה של צינור הלבלב לפלוריפוטנציה
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר תכנות מחדש של אדנוקרצינומה צינורית לבלב (PDAC) ותאי אפיתל צינור לבלב נורמליים לתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs). אנו מספקים הליך אופטימלי ומפורט, שלב אחר שלב, החל מהכנת lentivirus ועד הקמת קווי iPSC יציבים.
Abstract
יצירת תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs) באמצעות גורמי שעתוק הושגה כמעט מכל סוג תא ממוין והוכחה כבעלת ערך רב למחקר וליישומים קליניים. באופן מעניין, הוכח כי תכנות מחדש של תאי סרטן iPSC, כגון אדנוקרצינומה של צינור הלבלב (PDAC), מחזיר לאחור את הפנוטיפ הפולשני של PDAC וגובר על אפיגנום הסרטן. ההתמיינות של תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים שמקורם ב-PDAC יכולה לשחזר את התקדמות PDAC מהמבשר המוקדם של הניאופלזיה התוך-אפיתליאלית של הלבלב (PanIN), ולחשוף את השינויים המולקולריים והתאיים המתרחשים בשלב מוקדם במהלך התקדמות PDAC. לכן, ניתן להשתמש בתאי גזע מושרים שמקורם ב-PDAC כדי למדל את השלבים המוקדמים ביותר של PDAC לגילוי סמני אבחון לגילוי מוקדם. זה חשוב במיוחד עבור חולי PDAC, אשר מאובחנים בדרך כלל בשלבים גרורתיים מאוחרים בשל מחסור בסמנים ביולוגיים אמינים עבור שלבי PanIN מוקדמים יותר. עם זאת, תכנות מחדש של קווי תאים סרטניים, כולל PDAC, לפלוריפוטנציה נותר מאתגר, דורש עבודה רבה ומשתנה מאוד בין קווים שונים. במאמר זה אנו מתארים פרוטוקול עקבי יותר ליצירת תאי iPSC מקווי תאי PDAC אנושיים שונים באמצעות וקטורים לנטי-ויראליים דו-גלגליים. קווי iPSC המתקבלים יציבים, ואינם מראים תלות בביטוי אקסוגני של גורמי תכנות מחדש או תרופות אינדוקטיביות. בסך הכל, פרוטוקול זה מאפשר יצירה של מגוון רחב של iPSCs שמקורם ב-PDAC, שהוא חיוני לגילוי סמנים ביולוגיים מוקדמים שהם ספציפיים יותר ומייצגים מקרי PDAC.
Introduction
אדנוקרצינומה של צינור הלבלב (PDAC) היא אחת הממאירויות הקטלניות ביותר, ואבחון מוקדם נותר מאתגר בשל האופי האסימפטומטי של המחלה. רוב חולי PDAC מאובחנים בשלב גרורתי מתקדם כאשר אפשרויות הטיפול מוגבלות מאוד זמינות 1,2. זה בעיקר בשל היעדר סמנים ביולוגיים אמינים עבור השלבים המוקדמים יותר, כגון אלה שניתן לזהות בנוחות כמו חלבונים שוחררו לתוך זרם הדם.
PDAC יכול להתפשט מוקדם מאוד במהלך התקדמותו, ופרוגנוזה טובה יותר נקשרה לגילוי מוקדם של סרטן כאשר PDAC ממוקם בלבלב3. עם זאת, פחות מעשירית מחולי PDAC מאובחנים עם פרוגנוזה חיובית, המאפשרת כריתה כירורגית. עם זאת, מעטים עם גידולים נתיחים נוטים גם להישנות הגידול תוך 12 חודשים4.
בחמשת העשורים האחרונים, שיפורים מדהימים נעשו בטכניקות כירורגיות, טיפול בחולים ושיטות טיפול 5,6. עם זאת, שיעור ההישרדות ל-5 שנים בחולי PDAC שעברו ניתוח עלה בקושי ל-17%. עם זאת, זה עדיין טוב יותר מזה של חולים שלא נותחו, אשר נשאר כמעט ללא שינוי (0.9%)4,7. כימותרפיה היא הטיפול האלטרנטיבי היחיד ב-PDAC. עם זאת, אפשרות זו מוגבלת מאוד מכיוון שהרוב הגדול של חולי PDAC מפגינים עמידות חזקה לתרופות כימותרפיות כגון Gemcitabine 7,8. תרופות אחרות, כגון ארלוטיניב, זמינות רק לקבוצה קטנה של חולי PDAC עם מוטציות ספציפיות, שרובן מראות עמידות לארלוטיניב9. תופעות הלוואי השליליות הקשורות לכימותרפיה ברוב חולי PDAC הן חסרון נוסף של טיפול זה10. לאחרונה, אסטרטגיות מבטיחות הראו כי מעכבי נקודות בקרה חיסוניות (ICIs) ומעכבי מולקולות קינאז קטנות (SMKIs) יכולים להיות יעילים בטיפול ב- PDAC, אך תגובות עמידות לטיפולים ממוקדים אלה נותרו מוגבלות למיעוט החולים11,12. בסך הכל, גילוי סמנים ביולוגיים מוקדמים ספציפיים ל-PDAC יכול לסלול דרכים חדשות לאבחון וטיפול מוקדם.
PDAC מתפתח מנגעים מקדימים תוך-אפיתליאליים של הלבלב (PanIN) הנובעים מהתפשטות אפיתל לא פולשנית של צינור הלבלב13,14. בעוד היווצרות PanIN היא יזומה על ידי מוטציות אונקוגנים כגון KRAS, שינויים גנטיים ואפיגנטיים נוספים נדרשים עבור התקדמות PDAC. על פי התחזיות, ההתקדמות של PanIN דרך השלבים השונים לתוך PDAC פולשני לוקח בערך10 שנים 13,15,16,17. מסגרת זמן זו מספקת הזדמנות מצוינת להפיק תועלת מאבחון מוקדם של PDAC. לכן, מחקר מקיף בוצע כדי לבסס מודלים של בעלי חיים ותרביות אורגנואידים כדי לחקור את התקדמות PDAC 18,19,20,21. מודלים אלה היו שימושיים מאוד לחקר השלבים הפולשניים של PDAC, אם כי לא המעבר משלבי PanIN המוקדמים. לכן, חשוב לפתח מודלים ניסיוניים שיוכלו לשחזר את ההתקדמות המוקדמת של שלבי PanIN כדי לאפשר גילוי של סמנים ביולוגיים לגילוי מוקדם.
תכנות מחדש של תאים סומטיים לתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs) באמצעות ארבעת גורמי השעתוק OCT4, SOX2, KLF4 ו-c-MYC (OSKM) המחיש את מידת הפלסטיות התאית22. פלסטיות תאי סרטן תועדה היטב, ותכנות מחדש של תאי סרטן אנושיים לתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים שימש בהצלחה כדי לאפס תאים למצבם התאי המקורי, תוך הסרת רבים מהעלבונות האפיגנטיים שהצטברו במהלך התקדמות הסרטן 23,24,25,26,27,28,29. האפשרות להשתמש באסטרטגיית תכנות מחדש זו כדי להשפיע על זהות התא הסרטני היו, אם כן, הבטחה גדולה בטיפול בסרטן30,31. ואכן, הראינו בעבר כי ההבחנה בין iPSCs הנגזרים מ- PDACs יכולה לשחזר את התקדמות PDAC דרך שלבי PanIN המוקדמים32. על ידי זיהוי גנים ומסלולים ספציפיים לשלבים המוקדמים עד בינוניים של PDAC, זוהו סמנים ביולוגיים מועמדים שניתן להשתמש בהם קלינית לאבחון מוקדם של PDAC32,33. עם זאת, הסמנים הביולוגיים שהתגלו באמצעות קו iPSC יחיד הראו כיסוי מוגבל ברוב חולי PDAC32. האתגרים של יצירת קווי iPSC מחולי PDAC אחרים עצרו את היכולת לגלות סמנים ביולוגיים אמינים יותר. זה נובע מגורמים טכניים רבים, כולל ההטרוגניות של העברת OSKM, מכיוון שרק חלק קטן מתאי PDAC ראשוניים אנושיים הכילו את כל ארבעת הגורמים והגיבו בהצלחה לתכנות מחדש. כאן, פרוטוקול מפורט מוצג לתכנות מחדש של תאי PDAC ראשוניים באמצעות העברה לנטיויראלית כפולה יעילה ועקבית יותר של OSKM.
Protocol
Representative Results
Discussion
כדי להקל על השימוש בתכנות מחדש של iPSC לחקר התקדמות הסרטן, נקבע פרוטוקול חזק לתכנות מחדש של תאי סרטן הלבלב. תכנות מחדש של תאים סרטניים לפלוריפוטנציה הוכח כמאתגר מאוד עד כה, שכן רק מחקרים מעטים יצרו בהצלחה iPSCs מתאי סרטן 32,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46</…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A.S ו- J.K רוצים להודות לחקר הסרטן בבריטניה ול- OHSU על המימון (פרס פרויקט CRUK-OHSU C65925/A26986). A.S נתמך על ידי פרס פיתוח קריירה של MRC (MR/N024028/1). A.A ממומן על ידי מלגת דוקטורט (מלגה מס’ 1078107040) מהעיר המלך עבד אל-עזיז למדע וטכנולוגיה. J.K ממומן על ידי MRF New Investigator Grant (GCNCR1042A) ומענק Knight CEDAR (68182-933-000, 68182-939-000). אנו מודים לפרופ’ קייסוקה קאג’י על שסיפק באדיבות את וקטור התכנות מחדש pSIN4-EF1a-O2S ו- pSIN4-CMV-K2M. לצורך גישה פתוחה, המחבר החיל רישיון Creative Commons Attribution (CC BY) על כל גרסה של כתב היד המקובל על המחבר הנובעת מהגשה זו.
Materials
| 2-Mercaptoethanol (50 mM) | Thermo Fisher | 31350010 |
| Alexa Fluor 488 anti- human TRA-1-60-R | BioLegend | 330613 |
| Bovine Pituitary Extract (BPE) | Thermo Fisher | 13028014 |
| BxPc3 | ATCC | CRL-1687 |
| Cholera Toxin from Vibrio cholerae | Merck | C8052-1MG |
| Collagen, Type I solution from rat tail | Merck | C3867 |
| Completed Defined K-SFM | Thermo Fisher | 10744-019 |
| Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates | Merck | CLS3516 |
| Corning syringe filters | Merck | CLS431231 |
| Corning tissue-culture treated culture dishes | Merck | CLS430599 |
| Day Impex Virkon Disinfectant Virucidal Tablets | Thermo Fisher | 12328667 |
| Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline (PBS) | Merck | D8537 |
| Fetal Calf Serum (FCS) | Thermo Fisher | 10270-106 |
| Fugene HD Transfection Reagent | Promega | E2312 |
| Gelatin solution, Type B, 2% in H2O | Merck | G1393-100ML |
| Glasgow Minimum Essential Media (GMEM) | Merck | G5154 |
| Human EGF Recombinant Protein | Thermo Fisher | PHG0311 |
| Human FGF-basic (FGF-2/bFGF) (154 aa) Recombinant Protein, PeproTech | Thermo Fisher | 100-18B |
| Human Pancreatic Duct Epithelial Cell Line (H6c7) | Kerafast | ECA001-FP |
| iMEF feeder cells | iXcells Biotechnologies | 10MU-001-1V |
| Keratinocyte Serum Free Media (KSFM) | Thermo Fisher | 17005-042 |
| KnockOut DMEM | Thermo Fisher | 10829018 |
| KnockOut serum Replacement | Thermo Fisher | 10828028 |
| L-Glutamine (200 mM) | Thermo Fisher | 25030-024 |
| MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | Thermo Fisher | 11140050 |
| Millex-HP 0.45 μM syringe Filter Unit (Sterile) | Merck | SLHP033RS |
| Opti-MEM Reduced Serum Medium | Thermo Fisher | 31985062 |
| pMDG | AddGene | 187440 |
| Polybrene (Hexadimethrine bromide) | Merck | H9268-5G |
| pSIN4-CMV-K2M | AddGene | 21164 |
| pSIN4-EF2-O2S | AddGene | 21162 |
| psPAX2 | AddGene | 12260 |
| pWPT-GFP | AddGene | 12255 |
| RPMI 1640 Medium (ATCC modification) | Thermo Fisher | A1049101 |
| Sodym Pyruvate | Thermo Fisher | 11360-039 |
| Sterile Syringes for Single Use (60 mL) | Thermo Fisher | 15899152 |
| TrypLE Express Enzyme (1x), phenol red | Thermo Fisher | 12605036 |
| UltraPure 0.5M EDTA, pH 8.0 | Thermo Fisher | 15575020 |
| Y-27632 (Dihydrochloride) | STEMCELL Technologies | 72304 |
Riferimenti
- Rahib, L., et al. Projecting cancer incidence and deaths to 2030: the unexpected burden of thyroid, liver, and pancreas cancers in the United States. Ricerca sul cancro. 74 (11), 2913-2921 (2014).
- Hu, J. X., et al. Pancreatic cancer: A review of epidemiology, trend, and risk factors. World Journal of Gastroenterology. 27 (27), 4298 (2021).
- Howlader, N., et al. SEER cancer statistics review, 1975-2013. National Cancer Institute. 19, (2016).
- Bengtsson, A., Andersson, R., Ansari, D. The actual 5-year survivors of pancreatic ductal adenocarcinoma based on real-world data. Scientific Reports. 10 (1), 16425 (2020).
- He, J., et al. 2564 resected periampullary adenocarcinomas at a single institution: trends over three decades. HPB. 16 (1), 83-90 (2014).
- Dusch, N., et al. Factors predicting long-term survival following pancreatic resection for ductal adenocarcinoma of the pancreas: 40 years of experience. Journal of Gastrointestinal Surgery. 18 (4), 674-681 (2014).
- Principe, D. R., et al. The current treatment paradigm for pancreatic ductal adenocarcinoma and barriers to therapeutic efficacy. Frontiers in Oncology. 11, 688377 (2021).
- Papademetrio, D. L., et al. Interplay between autophagy and apoptosis in pancreatic tumors in response to gemcitabine. Targeted Oncology. 9 (2), 123-134 (2014).
- Ng, S. S., Tsao, M. S., Nicklee, T., Hedley, D. W. Effects of the epidermal growth factor receptor inhibitor OSI-774, Tarceva, on downstream signaling pathways and apoptosis in human pancreatic adenocarcinoma 1 supported by the National Cancer Institute of Canada and the Pat Myhal Fund for Pancreatic Cancer Research. Molecular Cancer Therapeutics. 1 (10), 777-783 (2002).
- Sultana, A., et al. Meta-analyses of chemotherapy for locally advanced and metastatic pancreatic cancer. Journal of Clinical Oncology. 25 (18), 2607-2615 (2007).
- Sun, J., Russell, C. C., Scarlett, C. J., McCluskey, A. Small molecule inhibitors in pancreatic cancer. RSC Medicinal Chemistry. 11 (2), 164-183 (2020).
- Jiang, H., et al. Targeting focal adhesion kinase renders pancreatic cancers responsive to checkpoint immunotherapy. Nature Medicine. 22 (8), 851-860 (2016).
- Hruban, R. H., et al. Pancreatic intraepithelial neoplasia: a new nomenclature and classification system for pancreatic duct lesions. The American Journal of Surgical Pathology. 25 (5), 579-586 (2001).
- Maitra, A., Hruban, R. H. Pancreatic cancer. Annual Review of Pathology: Mechanisms of Disease. 3, 157-188 (2008).
- Vincent, A., Herman, J., Schulick, R., Hruban, R. H., Goggins, M. Pancreatic cancer. The Lancet. 378 (9791), 607-620 (2011).
- Yachida, S., et al. Distant metastasis occurs late during the genetic evolution of pancreatic cancer. Nature. 467 (7319), 1114-1117 (2010).
- Lennon, A. M., et al. The early detection of pancreatic cancer: what will it take to diagnose and treat curable pancreatic neoplasia. Ricerca sul cancro. 74 (13), 3381-3389 (2014).
- Rubio-Viqueira, B., et al. An in vivo platform for translational drug development in pancreatic cancer. Clinical Cancer Research. 12 (15), 4652-4661 (2006).
- Li, C., et al. Identification of pancreatic cancer stem cells. Ricerca sul cancro. 67 (3), 1030-1037 (2007).
- Hermann, P. C., et al. Distinct populations of cancer stem cells determine tumor growth and metastatic activity in human pancreatic cancer. Cell Stem Cell. 1 (3), 313-323 (2007).
- Boj, S. F., et al. Organoid models of human and mouse ductal pancreatic cancer. Cell. 160 (1-2), 324-338 (2015).
- Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126 (4), 663-676 (2006).
- Suvà, M. L., et al. Reconstructing and reprogramming the tumor-propagating potential of glioblastoma stem-like cells. Cell. 157, 580-594 (2014).
- Kotini, A. G., et al. Stage-specific human induced pluripotent stem cells map the progression of myeloid transformation to transplantable leukemia. Cell Stem Cell. 20 (3), 315-328 (2017).
- Stricker, S. H., et al. Widespread resetting of DNA methylation in glioblastoma-initiating cells suppresses malignant cellular behavior in a lineage-dependent manner. Genes Development. 27 (6), 654-669 (2013).
- Chao, M. P., et al. Human AML-iPSCs reacquire leukemic properties after differentiation and model clonal variation of disease. Cell Stem Cell. 20 (3), 329-344 (2017).
- Aparicio, L. A., et al. Clinical implications of epithelial cell plasticity in cancer progression. Cancer letters. 366 (1), 1-10 (2015).
- Grimont, A., Leach, S. D., Chandwani, R. Uncertain beginnings: acinar and ductal cell plasticity in the development of pancreatic cancer. Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology. 13 (2), 369-382 (2022).
- Greenspan, L. J., Weinstein, B. M. To be or not to be: endothelial cell plasticity in development, repair, and disease. Angiogenesis. 24 (2), 251-269 (2021).
- Papapetrou, E. P. Patient-derived induced pluripotent stem cells in cancer research and precision oncology. Nature Medicine. 22 (12), 1392-1401 (2016).
- Zhang, X., Cruz, F. D., Terry, M., Remotti, F., Matushansky, I. Terminal differentiation and loss of tumorigenicity of human cancers via pluripotency-based reprogramming. Oncogene. 32 (18), 2249-2260 (2013).
- Kim, J., et al. An iPSC line from human pancreatic ductal adenocarcinoma undergoes early to invasive stages of pancreatic cancer progression. Cell Reports. 3 (6), 2088-2099 (2013).
- Kim, J., et al. Detection of early pancreatic ductal adenocarcinoma with thrombospondin-2 and CA19-9 blood markers. Science Translational Medicine. 9 (398), (2017).
- Susac, L., et al. Structure of a fully assembled tumor-specific T cell receptor ligated by pMHC. Cell. 185 (17), 3201-3213 (2022).
- Yu, J., et al. Human induced pluripotent stem cells free of vector and transgene sequences. Science. 324, 797-801 (2009).
- Carette, J. E., et al. Generation of iPSCs from cultured human malignant cells. Blood, The Journal of the American Society of Hematology. 115 (20), 4039-4042 (2010).
- Choi, S. M., et al. Reprogramming of EBV-immortalized B-lymphocyte cell lines into induced pluripotent stem cells. Blood, The Journal of the American Society of Hematology. 118 (7), 1801-1805 (2011).
- Hochedlinger, K., et al. Reprogramming of a melanoma genome by nuclear transplantation. Genes & Development. 18 (15), 1875-1885 (2004).
- Hu, K., et al. Efficient generation of transgene-free induced pluripotent stem cells from normal and neoplastic bone marrow and cord blood mononuclear cells. Blood, The Journal of the American Society of Hematology. 117 (14), e109-e119 (2011).
- Iskender, B., Izgi, K., Canatan, H. Reprogramming bladder cancer cells for studying cancer initiation and progression. Tumor Biology. 37, 13237-13245 (2016).
- Khoshchehreh, R., et al. Epigenetic reprogramming of primary pancreatic cancer cells counteracts their in vivo tumourigenicity. Oncogene. 38 (34), 6226-6239 (2019).
- Kim, H. J., et al. Establishment of hepatocellular cancer induced pluripotent stem cells using a reprogramming technique. Gut and Liver. 11 (2), 261 (2017).
- Lin, S. L., et al. Mir-302 reprograms human skin cancer cells into a pluripotent ES-cell-like state. RNA. 14 (10), 2115-2124 (2008).
- Miyoshi, N., et al. Defined factors induce reprogramming of gastrointestinal cancer cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (1), 40-45 (2010).
- Singovski, G., et al. In vivo epigenetic reprogramming of primary human colon cancer cells enhances metastases. Journal of Molecular Cell Biology. 8 (2), 157-173 (2016).
- Zhao, H., et al. A highly optimized protocol for reprogramming cancer cells to pluripotency using nonviral plasmid vectors. Cellular Reprogramming (Formerly" Cloning and Stem Cells". 17 (1), 7-18 (2015).
- Lo, C. A., et al. Quantification of protein levels in single living cells). Cell Reports. 13 (11), 2634-2644 (2015).
- Yu, J., et al. Human induced pluripotent stem cells free of vector and transgene sequences. Science. 324 (5928), 797-801 (2009).
- Prösch, S., et al. Inactivation of the very strong HCMV immediate early promoter by DNA CpG methylation in vitro. Biological Chemistry Hoppe-Seyler. 377 (3), 195-201 (1996).
- Mehta, A. K., Majumdar, S. S., Alam, P., Gulati, N., Brahmachari, V. Epigenetic regulation of cytomegalovirus major immediate-early promoter activity in transgenic mice. Gene. 428 (1-2), 20-24 (2009).
- Chen, X., et al. Integration of external signaling pathways with the core transcriptional network in embryonic stem cells. Cell. 133 (6), 1106-1117 (2008).
- Kim, J., Chu, J., Shen, X., Wang, J., Orkin, S. H. An extended transcriptional network for pluripotency of embryonic stem cells. Cell. 132 (6), 1049-1061 (2008).
- Chronis, C., et al. Cooperative binding of transcription factors orchestrates reprogramming. Cell. 168 (3), 442-459 (2017).
- Li, D., et al. Chromatin accessibility dynamics during iPSC reprogramming. Cell Stem Cell. 21 (6), 819-833 (2017).
- Soufi, A., Donahue, G., Zaret, K. S. Facilitators and impediments of the pluripotency reprogramming factors’ initial engagement with the genome. Cell. 151 (5), 994-1004 (2012).
- Carey, B. W., et al. Reprogramming of murine and human somatic cells using a single polycistronic vector. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 157-162 (2009).
