הפקה רובוטית של תאי סרטן Spheroids עם מערכת מימית שני שלבים לבדיקת סמים
Summary
A protocol for robotic printing of cancer cell spheroids in a high throughput 96-well plate format using an aqueous two-phase system is presented.
Abstract
Cancer cell spheroids present a relevant in vitro model of avascular tumors for anti-cancer drug testing applications. A detailed protocol for producing both mono-culture and co-culture spheroids in a high throughput 96-well plate format is described in this work. This approach utilizes an aqueous two-phase system to confine cells into a drop of the denser aqueous phase immersed within the second aqueous phase. The drop rests on the well surface and keeps cells in close proximity to form a single spheroid. This technology has been adapted to a robotic liquid handler to produce size-controlled spheroids and expedite the process of spheroid production for compound screening applications. Spheroids treated with a clinically-used drug show reduced cell viability with increase in the drug dose. The use of a standard micro-well plate for spheroid generation makes it straightforward to analyze viability of cancer cells of drug-treated spheroids with a micro-plate reader. This technology is straightforward to implement both robotically and with other liquid handling tools such as manual pipettes.
Introduction
מבחני מבוססי תאים לספק כלי חשוב לפיתוח והגילוי של תרופות אנטי-סרטניות חדשות. 1,2 מבחינה הסטורית, תרבויות monolayer של תאי הסרטן להיות מועסקת לחקור את היעילות של תרכובות מועמד מפני סוגים מסוימים של תאים סרטניים. קלות התחזוקה של תרבויות monolayer בתרבות צלחות סטנדרטית, התאימות של צלחות סטנדרטיים עם כלים רובוטיים מסחריים לתוספת של חומרים כימיים, ועם ציוד הקרנה לניתוח במורד הזרם של תגובות תאיות לתרכובות כימיות הם היתרונות העיקריים שהופכים את תרבויות 2D כלי אטרקטיבי לבדיקת סמים. 3 למרבה הצער, מבחני תא monolayer לעתים קרובות אינם מצליחים לחזות את היעילות של תרכובות in vivo, מה שהופך את פיתוח תרופות וגילוי תהליך יקר מאוד. 4,5 למרות השקעה משמעותית ומאמץ על ידי חברות תרופות ויחידות אקדמיות, ~ 1% בלבד תרופות אנטי-סרטני תרופות בניסויים קליניים אושרועל ידי ה- FDA בשני העשורים האחרונים. 6 פער בין תרבויות 2D and 3D הסביבה המורכבת של תאי סרטן בגוף חי הוא חסרון עיקרי של מערכות תרבות monolayer. 7 לכן, ההקרנה של תרכובות מועמד נגד תאים סרטניים בסביבה שדומה יותר ל סביבת גידול 3D עשויה לזרז פיתוח של תרופות כימותרפיות רומן. 8
spheroids תאים סרטניים להציג מודל 3D גידול רלוונטי במבחנה. 9,10 Spheroids הוא אשכולות קומפקטיים היוצרים באמצעות הרכבה ספונטנית או מושרה של תאים סרטניים על משטחים שאינם חסיד או בהשעיה תוך שימוש בטכניקות כגון בקבוק טווה, כיסוי נוזל, מיקרו microfabricated . גם מערכים, מיקרופלואידיקה, וטיפות תלויות 11-16 Spheroids לחקות תכונות עיקריות של גידולים מוצקים כוללים גיאומטריה ותחבורה מוגבלת של חמצן, חומרי מזון, ותרכובות תרופה לאזור המרכזי; ומכאן, שהם להתחדש respon התרופה באופן הדוק יותרse של גידולים מוצקים בהשוואה לתרבויות monolayer. 17-19 למרות היתרון הבולט הזה, spheroids אינו בשימוש שיגרתי עבור הקרנה של תרכובות כימיות כנגד תאים סרטניים. קושי לייצר spheroids בגודל אחיד בהגדרת תפוקה גבוהה סטנדרטית שתואמת לרובוטיקה זמינה מסחרי וכלים הקרנה / הדמיה פוגע שילוב של תרבות אליפטית לצנרת פיתוח תרופות. למרות שחומרים מותאמים אישית וצלחות הפכו זמינים מסחרי לאחרונה לתת מענה לצורך זה, שיקולי עלות להרתיע השימוש הנרחב שלהם.
שתי טכניקות עיקריות עם היכולת לייצר spheroids בגודל עקבי בתפוקה גבוהה להשתמש פלטפורמת ירידת תלייה חדשה ומיקרו-בארות microfabricated. 13,16,20 עם זאת, שתי הגישות דורשות צלחות ומכשירים שהם יקרים כדי להמציא ולא נוחים למשתמשי קצה מיוחדים במרכזי מחקר ליבה והפרמצבטיקה בי EF הגדול ביותרמבצרים לגילוי של תרופות אנטי-סרטניות חדשות מתקבלות. למרות שיפור מסוים ביציבות של טיפות המכיל תא עם עיצוב האחרון של תליית צלחות ירידה, כל חור אחר רק של הצלחת עדיין משמש בתרבות, כדי למנוע התפשטות / מיזוג של טיפות. 16 זה מקטין את התפוקה ניסיונית באופן משמעותי. בנוסף לסמים והתחדשות קשה עם ידני או רובוטית pipetting וspheroids צריך להיות מועבר לתוך צלחת סטנדרטית לאנליזה ביוכימית כי תצורת צלחת זה לא בקלות בקנה אחד עם ציוד הקרנה קונבנציונלי כגון קוראי צלחת. 21 מיקרו-בארות מפוברקות באמצעות ליתוגרפיה הרכה גם לאפשר ייצור אליפטית גודל מבוקר. 13,20 עם זאת, אי התאמה של פלטפורמה זו עם כלים pipetting סטנדרטיים מונעת טיפול של spheroids הבודד עם תרכובות סמים / ריכוזים שונים, חושפת את כל spheroids למצב טיפול בודד. לכן, שיטה זו אינה מתאימה לגבוההקרנת מתחם תפוקה שדורשת בדיקות סימולטני של תרכובות / ריכוזים מרובים.
כדי להתגבר על המכשולים הללו, טכניקה חדשה לייצור תפוקה גבוה של spheroids תאים סרטניים בגודל באופן עקבי ב96-גם צלחות סטנדרטי פותחה. 22,23 הגישה מבוססת על מערכת פולימרים מימית שני שלבים (ATPS) עם פוליאתילן גליקול ( לאחרונה PEG) וdextran (DEX) כמו פולימרים יוצרי שלב. 24 ATPSs כבר נוצל במגוון רחב של יישומים ביולוגיים תא הרומן לאפשר micropatterning תא ומקומי מסירה של חומרים כימיים ביולוגיים לתאים בתקשורת מימית מאוד. 25-32 כדי ליצור אליפטית, תאי סרטן מעורבבים עם שלב DEX המימי וירידה תת-microliter של ההשעיה וכתוצאה מכך הוא pipetted לפתרון שלב PEG המכיל גם הטבילה מימית. הירידה נשארה immiscible מהשלב הטבילה ותאי גבולות כדי להקל על היווצרות אליפטית. שֵׁדוֹןortantly, שלב הטבילה המימי מאוד מספק חומרים מזינים לתאים של אליפטית וממזער את הבעיה הידועה של אידוי תקשורת משותפת לכמה מבחני אחרים שגורמים לשינויים בosmolality תקשורת ותנודות של ריכוזי תרופה. טכניקה זו מאפשרת ייצור אליפטית וטיפול תרופתי רק באמצעות חומרים כימיים, זמינים מסחרית וכלים pipetting ב96-גם צלחות סטנדרטית. חשוב לציין, ניתוח של תגובות תאיות של spheroids מתבצע באותה הצלחת באמצעות מבחני ביוכימיים סטנדרטיים וקוראי צלחת. הקלות של עבודה עם ATPS וכושר הסתגלות של הגישה לטיפול נוזל רובוטית עושה דור תפוקה גבוה של שני מונו-תרבות ושיתוף התרבות spheroids טכניקת מעבדה פשוטה. גישה חדשה זו תהיה צעד גדול קדימה לכיוון אינטגרציה של spheroids תאים סרטניים בתהליכי פיתוח תרופות וגילוי עם תפוקת בדיקות משופרת ועלות-תועלת (מספר גדל והולך של תרכובות וredu נבדקוצריכת CED מגיב) ויעילות (הפחתת ידיים על זמן).
פרוטוקול מפורט לייצור הרובוטית של spheroids תאים סרטניים ב96-גם צלחות בגישת ATPS מתואר להלן. בנוסף, פרטים של טיפול התרופתי של spheroids וכתוצאה מכך וניתוח במורד הזרם של תגובות תאיות באמצעות assay ביוכימיים מסחרי מוצגים.
Protocol
Representative Results
Discussion
Spheroids להציג מודל מציאותי כדי להבין טוב יותר פיזיולוגיה גידול ויעילות תרופה ולספק כלי שימושי לגילוי תרופות אנטי-סרטני. יישומים כגון יפיקו תועלת רבה מטכניקות דור אליפטית ותחזוקה פשוטות שרק דורשים מעבדתי סטנדרטי, כלים טיפול נוזליים וציוד הקרנה. השימוש במערכת דו-שלב מי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge funding from the National Institutes of Health R21CA182333.
Materials
| Reagents and Consumables | |||
| Polyethylene glycol, Mw: 35,000 | Sigma-Aldrich | 94646 | |
| Dextran, Mw: 500,000 | Pharmacosmos | 5510 0500 9007 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D6429 | |
| Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | 12306C | |
| Glutamine | Life Technologies | 35050-061 | |
| Antibiotic | Life Technologies | 15240-062 | |
| Clacein AM | Life Technologies | C3100MP | |
| Hoechst | Life Technologies | 33342 | |
| Cisplatin | Spectrum Chemicals | 15663-27-1 | |
| PrestoBlue | Life Technologies | A-13261 | |
| Pluronic F-108 | Sigma Aldrich | 542342 | |
| Disposable Tips (10 µl) | Fluotics | C-P10V11.ST | |
| Disposable Tips (70 µl) | Fluotics | C-P70V11.ST | |
| Round-bottom 96-well plates | Corning | 7007 | |
| Equipment | |||
| Liquid Handler | Agilent Technologies | SRT Bravo | |
| Microplate Reader | Biotek Instruments | Synergy H1M |
References
- Butcher, E. C., Berg, E. L., Kunkel, E. J. Systems biology in drug discovery. Nat. Biotechnol. 22, 1253-1259 (2004).
- Gonzalez-Nicolini, V., Fussenegger, M. In vitro assays for anticancer drug discovery–a novel approach based on engineered mammalian cell lines. Anticancer Drugs. 16, 223-228 (2005).
- Castel, D., Pitaval, A., Debily, M. A., Gidrol, X. Cell microarrays in drug discovery. Drug Discov. Today. 11, 616-622 (2006).
- Gidrol, X., et al. 2D and 3D cell microarrays in pharmacology. Current Opin. Pharmacol. 9, 664-668 (2009).
- LaBarbera, D. V., Reid, B. G., Yoo, B. H. The multicellular tumor spheroid model for high-throughput cancer drug discovery. Expert Opin. Drug Discov. 7, 819-830 (2012).
- Ward, D. J., Martino, O. I., Simpson, S., Stevens, A. J. Decline in new drug launches: myth or reality? Retrospective observational study using 30 years of data from the UK. BMJ Open. 3, (2013).
- Yamada, K. M., Cukierman, E. Modeling tissue morphogenesis and cancer in 3D. Cell. 130, 601-610 (2007).
- Hirschhaeuser, F., et al. Multicellular tumor spheroids: An underestimated tool is catching up again. J. Biotechnol. 148, 3-15 (2010).
- Ghajar, C. M., Bissell, M. J. Tumor engineering: the other face of tissue engineering. Tissue Eng. A. 16, 2153-2156 (2010).
- Kenny, P. A., et al. The morphologies of breast cancer cell lines in three-dimensional assays correlate with their profiles of gene expression. Mol. Oncol. 1, 84-96 (2007).
- Carlsson, J., Yuhas, J. M. Liquid-overlay culture of cellular spheroids. Rec. Results Cancer Res. 95, 1-23 (1984).
- Wartenberg, M., et al. Tumor-induced angiogenesis studied in confrontation cultures of multicellular tumor spheroids and embryoid bodies grown from pluripotent embryonic stem cells. FASEB J. 15, 995-1005 (2001).
- Tekin, H., et al. Stimuli-responsive microwells for formation and retrieval of cell aggregates. Lab chip. 10, 2411-2418 (2010).
- Patra, B., et al. A microfluidic device for uniform-sized cell spheroids formation, culture, harvesting and flow cytometry analysis. Biomicrofluidics. 7, 54114 (2013).
- Frey, O., Misun, P. M., Fluri, D. A., Hengstler, J. G., Hierlemann, A. Reconfigurable microfluidic hanging drop network for multi-tissue interaction and analysis. Nat. Commun. 5, 4250 (2014).
- Hsiao, A. Y., et al. Micro-ring structures stabilize microdroplets to enable long term spheroid culture in 384 hanging drop array plates. Biomed. Microdev. 14, 313-323 (2012).
- Mehta, G., Hsiao, A. Y., Ingram, M., Luker, G. D., Takayama, S. Opportunities and challenges for use of tumor spheroids as models to test drug delivery and efficacy. J. Control. Release. 164, 192-204 (2012).
- Mueller-Klieser, W. Three-dimensional cell cultures: from molecular mechanisms to clinical applications. Am. J. Physiol. 273, C1109-C1123 (1997).
- Minchinton, A., Tannock, I. F. Drug penetration in solid tumors. Nat. Rev. Cancer. 6, 583-592 (2006).
- Jeong, G. S., et al. Surface tension-mediated, concave-microwell arrays for large-scale, simultaneous production of homogeneously sized embryoid bodies. Adv. Healthc. Mater. 2, 119-125 (2013).
- Cavnar, S. P., Salomonsson, E., Luker, K. E., Luker, G. D., Takayama, S. Transfer imaging, and analysis plate for facile handling of 384 hanging drop 3D tissue spheroids. JALA. 19, 208-214 (2014).
- Atefi, E., Lemmo, S., Fyffe, D., Luker, G. D., Tavana, H. High throughput, polymeric aqueous two-phase printing of tumor spheroids. Adv. Func. Mater. 24, 6509-6515 (2014).
- Lemmo, S., Atefi, E., Luker, G. D., Tavana, H. Optimization of aqueous biphasic tumor spheroid microtechnology for anti-cancer drug testing in 3D culture. Cell. Mol. Bioeng. 7, 344-354 (2014).
- Albertsson, P. -. A., Tjerneld, F. Phase diagrams. Methods Enzym. 228, 3-13 (1994).
- Frampton, J. P., White, J. B., Abraham, A. T., Takayama, S. Cell co-culture patterning using aqueous two-phase systems. J. Vis. Exp. (73), (2013).
- Frampton, J. P., et al. Aqueous two-phase system patterning of detection antibody solutions for cross-reaction-free multiplex ELISA. Sci. Rep. 4, 4878 (2014).
- Lai, D., Frampton, J. P., Tsuei, M., Kao, A., Takayama, S. Label-free direct visual analysis of hydrolytic enzyme activity using aqueous two-phase system droplet phase transitions. Anal. Chem. 86, 4052-4057 (2014).
- Petrak, D., Atefi, E., Yin, L., Chilian, W., Tavana, H. Automated spatio-temporally controlled cell microprinting with polymeric aqueous biphasic system. Biotech. Bioeng. 11, 404-412 (2014).
- Tavana, H., et al. Nanolitre liquid patterning in aqueous environments for spatially defined reagent delivery to mammalian cells. Nat. Mater. 8, 736-741 (2009).
- Tavana, H., et al. Polymeric aqueous biphasic system rehydration facilitates high throughput cell exclusion patterning for cell migration studies. Adv. Func. Mater. 21, 2920-2926 (2011).
- Tavana, H., Mosadegh, B., Takayama, S. Polymeric aqueous biphasic systems for non-contact cell printing on cells: engineering heterocellular embryonic stem cell niches. Adv. Mater. 22, 2628-2631 (2010).
- Tavana, H., Mosadegh, B., Zamankhan, P., Grotberg, J. B., Takayama, S. Microprinted feeder cells guide embryonic stem cell fate. Biotechnol. Bioeng. 108, 2509-2516 (2011).
- Kalluri, R., Zeisberg, M. . Nat Rev Cancer. 6, 392-401 (2006).
- Olsen, C. J., Moreira, J., Lukanidin, E. M., Ambartsumian, N. S. Human mammary fibroblasts stimulate invasion of breast cancer cells in a three-dimensional culture and increase stroma development in mouse xenografts. BMC Cancer. 10, 444 (2010).
- Ozdemir, B. C., et al. Depletion of carcinoma-associated fibroblasts and fibrosis induces immunosuppression and accelerates pancreas cancer with reduced survival. Cancer Cell. 25, 719-734 (2014).
- Hsiao, A. Y., et al. Microfluidic system for formation of PC-3 prostate cancer co-culture spheroids. Biomaterials. 30, 3020-3027 (2009).
- Friedrich, J., Seidel, C., Ebner, R., Kunz-Schughart, L. A. Spheroid-based drug screen: considerations and practical approach. Nat. Protoc. 4, 309-324 (2009).
- Weigelt, B., Bissell, M. J. Unraveling the microenvironmental influences on the normal mammary gland and breast cancer. Semin. Cancer Biol. 18, 311-321 (2008).
- Mueller, M. M., Fusenig, N. E. Friends or foes – bipolar effects of the tumour stroma in cancer. Nature Reviews Cance. 4, 839-849 (2004).
- Bissell, M. J., Radisky, D. Putting tumours in context. Nat. Rev. Cancer. 1, 46-54 (2001).
