باستخدام الماوس الخلايا السرطانية الثديية لتعليم المفاهيم الأساسية الأحياء: وحدة مختبر بسيط
Summary
A feasible laboratory module for biology undergraduates that explores advanced cellular and molecular concepts using animal cell culture is described. Students grow, characterize and manipulate a breast cancer cell model by exposure to chemotherapy agents. Cell viability is assayed through cell counting using both a standard and novel method.
Abstract
Undergraduate biology students are required to learn, understand and apply a variety of cellular and molecular biology concepts and techniques in preparation for biomedical, graduate and professional programs or careers in science. To address this, a simple laboratory module was devised to teach the concepts of cell division, cellular communication and cancer through the application of animal cell culture techniques. Here the mouse mammary tumor (MMT) cell line is used to model for breast cancer. Students learn to grow and characterize these animal cells in culture and test the effects of traditional and non-traditional chemotherapy agents on cell proliferation. Specifically, students determine the optimal cell concentration for plating and growing cells, learn how to prepare and dilute drug solutions, identify the best dosage and treatment time course of the antiproliferative agents, and ascertain the rate of cell death in response to various treatments. The module employs both a standard cell counting technique using a hemocytometer and a novel cell counting method using microscopy software. The experimental procedure lends to open-ended inquiry as students can modify critical steps of the protocol, including testing homeopathic agents and over-the-counter drugs. In short, this lab module requires students to use the scientific process to apply their knowledge of the cell cycle, cellular signaling pathways, cancer and modes of treatment, all while developing an array of laboratory skills including cell culture and analysis of experimental data not routinely taught in the undergraduate classroom.
Introduction
في كثير من الأحيان في دورات الأحياء الجامعية العامة، وتطرق موضوعات تنظيم دورة الخلية والسرطان ولكن ليس على دراسة مفصلة لأن اتساع نطاق المحتوى في هذه الدورات يترك القليل من الوقت للعمق. وبالإضافة إلى ذلك، لا يتم عادة يتعرض الطلاب الأحياء الجامعية للتقنيات المتقدمة المرتبطة بالثقافة الخلية الحيوانية. لمساعدة الطلاب على تطوير فهم أعمق لهذه المفاهيم، في حين أن تطبيق وتحليل ما تعلموه، تم تطوير النشاط مختبر بمثابة تعديل للمعهد والتر ريد للأبحاث (WRAIR) بمد النشاط المختبر 1. تستخدم وحدة المختبر لذلك، استراتيجية تدريجية التجريبية التي تشمل النمو وتميز نموذج الخلايا السرطانية وتطوير وتنفيذ أساليب عد الخلايا، وإقامة دورة الوقت الأمثل وجرعات لعلاج الخلايا مع عوامل مضادة للالتكاثري، وتحديد ممرات إشارة الخلية الشاذة . التجربة يسمح أيضا للفتحالتحقيق -ended.
معظم التقنيات اللازمة لهذا النشاط يمكن أن يتحقق في مختبر البيولوجيا تعليم نموذجي. يبدأ النشاط مع الطلاب تميز سعر الصرف ونمو الورم الماوس الثدي (MMT) خط الخلية، وهذا نموذج لسرطان الثدي البشري 2. وقد تم اختيار سرطان الثدي السرطان نموذج بسبب انتشاره في عدد السكان والألفة لطلاب كلية العمر، والبيانات واسعة النطاق المتاحة. تم اختيار خط الخلية MMT على وجه التحديد لأنه يمكن الحصول عليها بسهولة، وتتميز بشكل جيد، لديه الوقت تضاعف قصيرة وسهلة في النمو. بالإضافة إلى ذلك، خلايا MMT هي التي تتفق مع معظم سرطانات الثدي الإناث تعتمد على هرمون الاستروجين. الطلاب ثم تحديد مسارات إشارة الخلية الشاذة في الخلايا MMT عن طريق علاج الخلايا مع أدوية العلاج الكيميائي الذي آلية عمل شيء على ما يرام established.The تركيز الأدوية وطول العلاج وتتنوع السماح للطلابلتقييم تأثير هذه المتغيرات على معدل انقسام الخلايا. مقايسة الرئيسي لهذا النشاط هو تحديد بقاء الخلية، الأمر الذي يتطلب ببساطة عد الخلايا، وذلك باستخدام واحدة من طريقتين. يعتمد كل أسلوب على مهارات الفحص المجهري قوية. الطلاب تحديد بقاء الخلية باستخدام معيار أو أسلوب عدادة الكريات وطريقة تصوير مجهري رواية واقتراح. وبناء على النتائج التي توصلوا إليها، فإنها يمكن أن تقترح واختبار تعديلات على النشاط. الطلاب ثم تمثل البيانات وتفسير النتائج إلى صقل فرضيتهم ووضع استراتيجيات تجريبية جديدة.
يناسب هذا النشاط مختبر للطالبة أو مستوى السنة الثانية طلاب تخصص في العلوم البيولوجية. ويتم تكثيف قبل أن تتحول إلى وحدة المختبر مدة أسبوع واحد يمكن أن تكتمل في السنة الأولى، البيولوجيا العام أو السنة الثانية الخلوية / الجزيئية علم الأحياء. المهارات اللازمة لاستكمال السليم للنشاط وتشمل العمليات الحسابية الأساسية والجبر، والألفة مع مجموعة من جالمهارات المختبرية خام (على سبيل المثال، pipetting ل، وصنع الحل، تقنية معقمة)، وتحليل البيانات، المجهر الضوئي وإدارة الوقت الأساسية، جنبا إلى جنب مع المعرفة مدرب الثقافة الخلية وبرنامج جداول البيانات. وتشمل الكواشف اللازمة نموذج خط الخلية الحيوانية لسرطان (مثل خلايا فأر الثدي السرطانية، MMT 2)، وكلاء العلاج الكيميائي (على سبيل المثال، تاموكسيفين، الكركمين، الميتفورمين، والأسبرين)، التريبان وسائل الإعلام ثقافة الزرقاء وخلية (على سبيل المثال، النسر الأساسية الدنيا والمتوسطة ؛ EMEM) مع المكملات الغذائية المناسبة (على سبيل المثال، الحصان المانحة والمصل البقري الجنين). وتشمل الأدوات اللازمة ضوء المجهر المقلوب مع المرفقات كاميرا رقمية، كمبيوتر، و 100 ملم و 24 جيدا لوحات زراعة الأنسجة، CO 2 حاضنة (أو ما يعادلها)، ومجلس الوزراء للسلامة الأحيائية (BSC، من الدرجة الثانية)، عدادة الكريات، والبرمجيات المجهر الرقمي.
هناك أمثلة جيدة للأنشطة المختبر المحددة التي تعتمد على زراعة الخلايا الحيوانية لTEACالطلاب ح الجامعية حول المفاهيم في بيولوجيا الخلية 3. ومع ذلك تتطلب العديد من الإمدادات أو التقنيات التي لا يمكن الوصول إليها بسهولة (مثل النظائر المشعة، الأنسجة الحيوانية الحية، ومعدات التصوير المتقدمة 1،4،5)، يصف البروتوكولات التي هي متقدمة جدا (على سبيل المثال، ومناسبة لدورة مستوى 400 6)، أو يتطلب عدة أسابيع أو فصل دراسي مشاريع طويلة 6،7. النشاط المختبر الموصوفة هنا واضح وصريح ويمكن أن تتم في غضون أسبوع واحد مع معدات المختبرات المشتركة.
باختصار، هذه الوحدة مختبر يقدم بشكل فعال أو تعزز مفاهيم دورة الخلية، مسارات الإشارات الخلوية والسرطان في حين تدريس المهارات المعملية الأساسية والمتقدمة، وتحليل البيانات التجريبية، وطريقة زراعة الخلايا الحيوانية والعملية العلمية. وحدة المختبر هي بسيطة وسهلة اقتصاديا ويوفر المرونة وفرصة لتحقيق مفتوح. يشجع النشاط الإبداع طالبمن خلال توفير استراتيجية التجريبية القالب الذي يعمل كدليل لكنها ليست وصفة. الأهم من ذلك، يرضي النشاط كافة المجالات تعلم من الزهور تصنيف 8 كما يتطلب التذكر، الفهم، التطبيق، التحليل وتقييم وخلق من خلال إشراك الطلاب في عملية تسحب منهم من الكتب المدرسية وإلى عالم البحث العلمي.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويرد وحدة المختبر الذي يهدف إلى تعليم مجموعة متنوعة من المواضيع في بيولوجيا الخلايا عن طريق تقنيات متقدمة للثقافة الخلية الحيوانية. وحدة تحقق ذلك من خلال تحليل الآثار المترتبة على عدد من المواد الكيميائية المضادة للالتكاثري على تكرار الخلايا التي نموذج سرطان الثدي…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by the Joseph Alexander Foundation, the ASBMB Undergraduate Research Award, 2013-2014, and a Science Award Grant, Marymount Manhattan College, 2012-2013.
Materials
| Tissue Culture Hood | ESCO Labculture Reliant | Class II Type A2 Biological Safety Cabinet | |
| Waterjactor CO2 Incubator | CEDCO | Model 1510 | |
| Bright-line Hemocytometer | American Optical | with two separate grids | |
| Motic Images Plus | Mac OSX Verison 2.0 or higher | ||
| Gilson Pipetman | Rainin instrument co. inc | P-20D, P-200D, P-1000D | |
| CK30/CK40 Culture Microscope | Olympus | 4 objective inverted light microscope with camera | |
| 200 uL Pipet tips | MidSci | 40200C | |
| 1000 uL Pipet tips | MidSci | AVR4 | |
| 10 mL Seriological Pipets | TPP | TP94010 | |
| 24-well plates | CoStar- Tissue Culture Cluster | 3524 | 24 wells, 16 mm well diameter, Radiation sterilized |
| Trypan Blue Solution 0.4% | Sigma | T8154 | 100 mL, cell culture tested non-haz |
| Bright-line Hemacytometer replacement coverslip, non-haz | Sigma | Z375357 | |
| Mouse Mammary Tumor(MMT) cells | ATCC | CCL-51 | |
| Eagle Minimum Essentail Medium (EMEM) | ATCC | 30-2003 | 500 mL |
| Fetal Bovine Serum | Sigma | F0926 | 500 mL |
| Meformin Hydrochloride | Sigma | PHR1084 | 500 mg |
| Tamoxifen | Sigma | T5648 | white or white-yellow powder |
| Curmumin | Sigma | C1386 | yellow-orange powder |
| Aspirin | Sigma | A2093 | meets USP testing specifications |
References
- Hammamieh, R., et al. Students investigating the antiproliferative effects of synthesized drugs on mouse mammary tumor cells. Cell Biol Educ. 4 (3), 221-234 (2005).
- Sykes, J. A., Whitescarver, J., Briggs, L. Observations on a cell line producing mammary tumor virus. J Natl Cancer Inst. 41 (6), 1315-1327 (1968).
- Palombi, P. S. J., Snell, K. Learning about Cells as Dynamic Entities: An Inquiry-Driven Cell Culture Project. Bioscene: Journal of College Biology Teaching. 33, 27-33 (2008).
- Ledbetter, M. L. S., Lippert, M. J. Glucose Transport in Cultured Animal Cells: An Exercise for the Undergraduate Cell Biology Laboratory. Cell Biology Education. 1 (3), 76-86 (2002).
- Weaver, D. Cardiac Cells Beating in Culture: A Laboratory Exercise. American Biology Teacher. 69, 407-410 (2007).
- Marion, R. E., Gardner, G. E., Parks, L. D. Multiweek cell culture project for use in upper-level biology laboratories. Advances in Physiology Education. 36, 154-157 (2012).
- Mozdziak, P. E. P., James, N., Carson, S. u. s. a. n. D. An Introductory Undergraduate Course Covering Animal Cell Culture Techniques. Biochemistry and Molecular Biology Education. 32 (5), 319-322 (2004).
- Anderson, L. W., et al. . A taxonomy for learning, teaching and assessing: A revision of Bloom’s Taxonomy of educational objectives (Complete Edition). , (2001).
- Centers for Disease Contol and Prevention. . Appendix A – Primary Containment for Biohazards: Selection, Installation and Use of Biological Safety Cabinets. , (2014).
- Davis, J. M. . Basic Cell Culture: A Practical Approach. , (2002).
- Algra, A. M., Rothwell, P. M. Effects of regular aspirin on long-term cancer incidence and metastasis: a systematic comparison of evidence from observational studies versus randomised trials. Lancet Oncol. 13 (5), 518-527 (2012).
- Anand, P., Sundaram, C., Jhurani, S., Kunnumakkara, A. B., Aggarwal, B. B. Curcumin and cancer: an ‘old-age’ disease with an ‘age-old’ solution. Cancer Lett. 267 (1), 133-164 (2008).
- Ararat, E., Sahin, I., Altundag, K. Mechanisms behind the aspirin use and decreased breast cancer incidence. J BUON. 16 (1), 180 (2011).
- Ararat, E., Sahin, I., Altundag, K. Aspirin intake may prevent metastasis in patients with triple-negative breast cancer. Med Oncol. 28 (4), 1308-1310 (2011).
- Blandino, G., et al. Metformin elicits anticancer effects through the sequential modulation of DICER and c-MYC. Nat Commun. 3, 865 (2012).
- Kunnumakkara, A. B., Anand, P., Aggarwal, B. B. Curcumin inhibits proliferation, invasion, angiogenesis and metastasis of different cancers through interaction with multiple cell signaling proteins. Cancer Lett. 269 (2), 199-225 (2008).
- Burstein, D. E., Blumberg, P. M., Greene, L. A. Nerve growth factor-induced neuronal differentiation of PC12 pheochromocytoma cells: lack of inhibition by a tumor promoter. Brain Res. 247 (1), 115-119 (1982).
- Nazarali, S. A., Narod, S. A. Tamoxifen for women at high risk of breast cancer. Breast Cancer (Dove Med Press). 6, 29-36 (2014).
- Cui, J., et al. Cross-talk between HER2 and MED1 regulates tamoxifen resistance of human breast cancer cells). Cancer Res. 72 (21), 5625-5634 (2012).
- Komm, B. S., Mirkin, S. An overview of current and emerging SERMs. J Steroid Biochem Mol Biol. 143C, 207-222 (2014).
- Kaplan, R. M., Satterfield, J. M., Kington, R. S. Building a better physician–the case for the new MCAT. N Engl J Med. 366 (14), 1265-1268 (2012).
