Summary

Imaging- und Durchflusszytometrie-basierte Analyse von Zellposition und den Zellzyklus in 3D Melanoma Spheroids

Published: December 28, 2015
doi:

Summary

We describe two complementary methods using the fluorescence ubiquitination cell cycle indicator (FUCCI) and image analysis or flow cytometry to identify and isolate cells in the inner G1 arrested and outer proliferating regions of 3D spheroids.

Abstract

Three-dimensional (3D) tumor spheroids are utilized in cancer research as a more accurate model of the in vivo tumor microenvironment, compared to traditional two-dimensional (2D) cell culture. The spheroid model is able to mimic the effects of cell-cell interaction, hypoxia and nutrient deprivation, and drug penetration. One characteristic of this model is the development of a necrotic core, surrounded by a ring of G1 arrested cells, with proliferating cells on the outer layers of the spheroid. Of interest in the cancer field is how different regions of the spheroid respond to drug therapies as well as genetic or environmental manipulation. We describe here the use of the fluorescence ubiquitination cell cycle indicator (FUCCI) system along with cytometry and image analysis using commercial software to characterize the cell cycle status of cells with respect to their position inside melanoma spheroids. These methods may be used to track changes in cell cycle status, gene/protein expression or cell viability in different sub-regions of tumor spheroids over time and under different conditions.

Introduction

Mehrzelligen Sphäroiden 3D haben als Tumor-Modell seit Jahrzehnten bekannt, aber es ist erst vor kurzem, dass sie in häufiger Verwendung als in vitro-Modell für viele soliden Tumoren kommen. Sie werden zunehmend in Hochdurchsatz-Wirkstoffsuche Bildschirme als Vermittler zwischen komplex, teuer und zeitaufwendig in vivo-Modelle und die einfache, kostengünstige 2D-Einzelschicht-Modell 1-6 verwendet. Studies in 2D Kultur sind oft nicht in der Lage, um in vivo repliziert werden. Spheroid Modelle von vielen Arten von Krebs in der Lage, die Wachstumseigenschaften, Empfindlichkeit gegenüber Medikamenten, Drogen-Penetration, Zell-Zell-Interaktionen, eingeschränkte Verfügbarkeit von Sauerstoff und Nährstoffen und die Entwicklung der Nekrose, die in vivo in soliden Tumoren 6-11 zu sehen ist zu imitieren. Sphäroide Entwicklung einer nekrotischen Kern, eine ruhende oder G1 verhaftet Umgebung des Kerns und proliferierenden Zellen in der Peripherie des Sphäroids 7. Die Entwicklung dieser Regionenkann abhängig von der Zelldichte, der Proliferationsrate und der Größe des Sphäroids 12 variieren. Es wurde vermutet, dass die zelluläre Heterogenität in diesen verschiedenen Teilbereiche ersichtlich kann in der Krebstherapie Widerstand 13,14 beizutragen. Deshalb separat ist die Fähigkeit, Zellen in diesen Bereichen zu analysieren entscheidend für das Verständnis Tumorarzneimittelreaktionen.

Und Grün (Azami Green – AG) Fluoreszenzmarkierung von Cdt1 und Geminin, die in verschiedenen Phasen des Zellzyklus 15 abgebaut werden – die Fluoreszenz Ubiquitinierung Zellzyklus-Anzeigesystem (Fucci) auf dem roten (KO Kusabira orange) basiert. So Zellkerne erscheinen rot in G1, gelb in der frühen S und S / G2 / M Phase grün. Wir beschreiben hier zwei sich ergänzende Methoden sowohl mit Fucci den Zellzyklus zu identifizieren, zusammen mit der Verwendung von Bildbearbeitungssoftware oder ein Farbstoffdiffusions Durchflusscytometrieassay um zu bestimmen, ob die Zellen befinden sich in der G1 verhaftet Mitte oder den äußeren proliferating Rings und der Abstand der einzelnen Zellen von der Kante des Sphäroids. Diese Verfahren wurden in unserer früheren Veröffentlichung, wo wir gezeigt, dass Melanomzellen in hypoxischen Regionen in der Mitte des Sphäroids entwickelt und / oder in Gegenwart von zielgerichtete Therapien sind in der Lage, in die G1-Arretierung für längere Zeit zu bleiben, und kann RE- geben Sie den Zellzyklus, wenn günstigere Bedingungen entstehen 7.

Protocol

1. Fucci Transduktion und Zellkultur Fucci Transduktion Erstellen Zelllinien stabil exprimieren die Fucci Konstrukte mKO2-hCdt1 (30-120) und Mag-hGem (1-100) 15 mit Lentivirus-Cotransduktion wie zuvor beschrieben 7. Hinweis: Die Fucci System ist jetzt im Handel erhältlich. Generieren Unter Klone mit heller Fluoreszenz durch Einzelzellsortierung. Sortier einzelnen Zellen positiv für beide AG und KO (gelb) durch Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung in eine 96-W…

Representative Results

Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung Tumorsphäroide Dieses Protokoll verwendet die nicht-haftenden Wachstumsverfahren, bei dem Zellen auf Agar oder Agarose 3,7,9 kultiviert werden. 1 zeigt ein Beispiel eines C8161-Melanom Sphäroid nach 3 Tagen auf Agar. C8161 Sphäroide bilden regelmäßige Größe Sphäroiden mit einem Durchmesser von 500 bis 600 & mgr; m (Mittelwert = 565, SD = 19, n = 3) nach 3 Tagen. Andere Melanom-Zelllinien, die Sphäroide bilden gehören: WM793, WM983C, WM98…

Discussion

Halbautomatische Bildanalyse identifizierte die Sphäroid Innen G1 festgenommen Region und wuchernden äußeren Schichten. Dieses Verfahren kann auf Live-Sphäroiden mit einem optischen Abschnitt verwendet werden, oder in festen Sphäroid Abschnitte, auf Veränderungen nicht nur des Zellzyklus, sondern Markerexpression (über Immunfluoreszenz), Zelltod oder Zellmorphologie in diesen verschiedenen Regionen zu identifizieren. Zellbeweglichkeit in verschiedenen Regionen Sphäroid kann auch quantifiziert werden -, wenn Live…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Ms. Danae Sharp and Ms. Sheena Daignault for technical assistance. We thank Dr. Atsushi Miyawaki, RIKEN, Wako-city, Japan, for providing the FUCCI constructs, Dr. Meenhard Herlyn and Ms. Patricia Brafford, The Wistar Institute, Philadelphia, for providing cell lines, the Imaging and Flow Cytometry Facility at the Centenary Institute for outstanding technical support. We thank Mr. Chris Johnson and Dr. Andrew Barlow for Volocity software technical support. N.K.H. is a Cameron fellow of the Melanoma and Skin Cancer Research Institute, Australia. K.A.B. is a fellow of the Cancer Institute New South Wales (13/ECF/1-39). W.W. is a fellow of the Cancer Institute New South Wales (11/CDF/3-39). This work was supported by project grants RG 09-08 and RG 13-06 (Cancer Council New South Wales), 570778 and 1051996 (Priority-driven collaborative cancer research scheme/Cancer Australia/Cure Cancer Australia Foundation), 08/RFG/1-27 (Cancer Institute New South Wales), and APP1003637 and APP1084893 (National Health and Medical Research Council).

Materials

Hoechst 33342 Life Technologies H3570
agarose low melting point Life Technologies 16520-050 For sectioning
noble agar  Sigma A5431 For making spheroids
agarose for spheroids Fisher Scientific BP1356-100 For making spheroids
0.05% trypsin/EDTA Life Technologies 25300-054
HBSS Life Technologies 14175-103
10% formalin Sigma HT5014-1CS CAUTION: Harmful, corrosive. Use Personal Protective Equipment, do  not breath fumes (open in a fume cupboard).
live/dead near IR Life Technologies L10119
vibratome Technical Products International, Inc
coulture cup Thermo-Fisher Scientific SIE936 Mold for sectioning spheroids
hemocytometer Sigma Z359629
96-well tissue culture plate Invitro FAL353072
collagenase Sigma C5138 
confocal microscope Leica TCS SP5
Flow cytometer analyser Becton Dickinson LSRFortessa
volocity PerkinElmer Imaging software
flowjo Tree Star Flow cytometry software
Vaccuum grease Sigma Z273554
Mounting media Vector Laboratories H1000
FUCCI (commercial constructs) Life Technologies P36238 Transient transfection only
Cell strainer 70 um In Vitro FAL352350
Round bottom 5 mL tubes (sterile) In Vitro FAL352003
Round bottom 5 mL tubes (non-sterile) In Vitro FAL352008

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Beaumont, K. A., Anfosso, A., Ahmed, F., Weninger, W., Haass, N. K. Imaging- and Flow Cytometry-based Analysis of Cell Position and the Cell Cycle in 3D Melanoma Spheroids. J. Vis. Exp. (106), e53486, doi:10.3791/53486 (2015).

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