Summary

Mærkning af Breast Cancer Patient-afledte Xenografter med Sporbare Journalister for tumorvækst og Metastase Studies

Published: November 30, 2016
doi:

Summary

Vi beskriver en fremgangsmåde til stabil mærkning af patient-afledte xenotransplantater (PDXs) med lentivirale partikler, der udtrykker grønt-fluorescerende protein og luciferase reportere. Denne fremgangsmåde muliggør sporing af væksten af PDXs ved det primære sted, samt detektering spontane og eksperimentelle metastaser anvendelse af in vivo-billeddannelse.

Abstract

The use of preclinical models to study tumor biology and response to treatment is central to cancer research. Long-established human cell lines, and many transgenic mouse models, often fail to recapitulate the key aspects of human malignancies. Thus, alternative models that better represent the heterogeneity of patients’ tumors and their metastases are being developed. Patient-derived xenograft (PDX) models in which surgically resected tumor samples are engrafted into immunocompromised mice have become an attractive alternative as they can be transplanted through multiple generations,and more efficiently reflect tumor heterogeneity than xenografts derived from human cancer cell lines. A limitation to the use of PDXs is that they are difficult to transfect or transduce to introduce traceable reporters or to manipulate gene expression. The current protocol describes methods to transduce dissociated tumor cells from PDXs with high transduction efficiency, and the use of labeled PDXs for experimental models of breast cancer metastases. The protocol also demonstrates the use of labeled PDXs in experimental metastasis models to study the organ-colonization process of the metastatic cascade. Metastases to different organs can be easily visualized and quantified using bioluminescent imaging in live animals, or GFP expression during dissection and in excised organs. These methods provide a powerful tool to extend the use of multiple types of PDXs to metastasis research.

Introduction

Udviklingen af patient-afledt tumorxenoplantater (PDXs), hvor kirurgisk resektion tumor prøver indpodede direkte i immunsvækkede mus, tilbyder flere fordele i forhold til standard celle-line xenograftmodeller og repræsenterer et stort fremskridt i kræftforskning 1,2. PDXs kan opretholdes og ekspanderes ved successive passager med minimal ændring af de genetiske og biologiske karakteristika af tumoren dyrket ved den første passage; og mere præcist afspejler tumor heterogenitet end xenografter fra humant cancer cellelinjer 3-8. Disse modeller er nu flittigt brugt som platform for personalisering kræftmedicin 9,10, som en præklinisk platform i lægemiddeludvikling 6,11 og som en eksperimentel værktøj til at studere kræft biologi 4,12.

De fleste PDXs implanteres og opformeret subkutant, der indpasses tillader måling af tumorvækst over tid ved hjælp af calipre. Imidlertid, Metastatisk sygdom har været vanskeligere at modellere bruge PDXs. Specifikt for brystkræft, har xenografter med metastatisk kapacitet til forskellige organer blevet beskrevet 3,5,13, men hyppigheden af spontan formidling til metastatiske steder er meget lav. Hvor rapporteret, identifikation og kvantificering af metastatisk byrde er afhængig i møjsommelige histologisk undersøgelse af målorganer efter slagtning. Cancercellelinier udtrykker bioluminiscerende (luciferase, Luc) eller fluorescerende (grønt fluorescerende protein GFP) -gen reportere er almindeligt anvendt i eksperimentelle modeller af brystkræft metastaser til hjerne-, lunge-, knogle- og lever efter intrakardial, hale-vene, intrafemoral og milt injektion 14-16. Mens disse modeller omgå formidling fra de primære tumorer, de er værdifulde til at undersøge mekanismerne for orgel tropisme og metastatisk kolonisering. celler afledt af primære patient tumorer og PDXs, kan dog have lav transfektion eller transduktion satser using standardprocedurer. Et alternativ er at etablere PDX-afledte cellelinier in vitro 17, som kan derefter mærket under anvendelse af konventionelle vævskulturplader protokoller. Denne fremgangsmåde er imidlertid ikke egnet til mærkning fleste PDXs, for hvilke cellelinje afledning er vanskelig og kan ændre fænotypen af ​​cellerne. Her præsenterer vi en protokol for transduktion af PDX-dissocierede tumorceller med lentivirusvektorer egnede til in vivo billeddannelse. Derudover beskriver vi eksperimentel metastase hjælp intrakardial injektion af dissocierede luc-GFP mærkede PDX celler hos immunkompromitterede mus.

En grundlæggende protokol for transduktion af PDX-dissocierede organoids med gen-reporter udtrykker lentivirus er tidligere blevet beskrevet 18. I den nuværende protokol beskriver vi yderligere fremgangsmåder til berigelse for humane tumorceller og opnå nær 100% transduktionseffektivitet, samt anvendelsen af ​​mærkede PDXs til detektering eksperimentelle brystcancermetastaser. Denne protokol kan tilpasses til mærkning flere cancertyper af PDXs med forskellige selvlysende og fluorescerende markører samt modulation af genekspression (dvs. shRNA knockdown af gener af interesse).

Protocol

Alle trin kræver brug af dyr i denne protokol følger retningslinjerne fra University of Colorado dyr videnskabsetisk komité (IACUC). 1. Fremstilling af instrumenter, Kultur Medier og andre reagenser Fremstilling af 100 ml mammosphere medier indeholdende Dulbeccos modificerede Eagle-medium og Han F-12-medium (DMEM / F12) (1: 1), basisk fibroblastvækstfaktor (bFGF, 20 ng / ml), epidermal vækstfaktor (EGF, 10 ng / ml ), Heparin (4 ug / ml), 1x B27, penicillin (100 U / ml), streptomycin (100 ug / ml)…

Representative Results

Denne metode beskriver transduktion af PDX-dissocierede brystkræftceller ved hjælp af høj titer lentivirusvektorer pSIH1-H1-copGFP-T2A-Puro og fag-EF1aL-luciferase-UBC-GFP-W. Disse vektorer udtrykker en fluorescerende markør, der tillader at vurdere effektiviteten af transduktion in vitro, så tidligt som 24 timer efter infektion (figur 1a). For de fleste PDXs, vil ekspression af GFP forsinkes op til 72 timer efter infektion (figur 1b), på …

Discussion

Kritiske trin i protokollen:

Brugen af høj titer lentivirale partikler (> 10 8 TU / ml) er et afgørende skridt for succesen af denne protokol, som giver mulighed for omhyggelig kontrol med medierne sammensætning under in vitro transduktion. Mens flere fremgangsmåder til fremstilling af høj-titer viruspartikler er blevet godt beskrevet 18,19; denne protokol bruger lentivirale partikler produceret som beskrevet i detaljer på <a href="htt…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne takker Dr. Darrel Kotton ved Boston University for at levere fag-EF1aL-dsRed-UBC-GFP-W vektor og protokoller for høj titer lentiviral produktion anvendt i disse undersøgelser. Dette arbejde blev finansieret af DOD BCRP W81XWH-11-1-0101 (DMC), ACS IRG # 57-001-53 (DMC), NCI K22CA181250 (DMC) og R01 CA140985 (CAS) .NCI P30CA046934 center tilskud understøttet in vivo imaging og vævskultur cores ved University of Colorado AMC.

Materials

DMEM/F12 (1:1) Hyclone SH30023.01
bFGF BD Biosciences 354060
EGF BD Biosciences 354001
Heparin Sigma H4784
B27 Gibco/Thermo Fisher 17504-44
Anti-fungi-antibiotics Hyclone SV30010
Accumax Innovative Cell Technologies AM-105-500 Digestion Buffer
FBS Atlanta Biologicals S11550
HBSS Red Ca++/Mg++ free Hyclone SH30031.02
Hepes
10X PBS Hyclone SH30258.01
Cultrex Cultrex 3433-005-01 Basement Matrix Extract (BME)
30C shaker NewBrunswick Scientific CO. INC Series 25 Incubator Shaker
70um filters Falcon 7352350
scalpels Fisher 22079690
Clorhexidine disinfectant Durvet  NDC# 30798-624-35
Red blood  cell lysis reagent Sigma R7757
Neuraminidase Sigma N7885-1UN
EpCAM (CD326+) microbeads* Miltenyil Biotec 130-061-101
Lineage cell depletion Kit, mouse* Miltenyil Biotec 130-090-858
MiniMACS Separator  Miltenyil Biotec 130-042-102
Mini MACS Magnetic Stand Miltenyil Biotec 130-042-303
MS Columns Miltenyil Biotec 130-042-201 MS or LS columns can be used, adjust to number of cells.
Illumatool Tunable light system Lightools research Various For in vivo fluorescence imaging
Xenogen IVIS200 imaging device Xenogen Various For in vivo luminiscence imaging
Human Cytokeratin Clone MNF116 Monoclonal antibody DAKO M0821 Pan-cytokeratin 
Epidermal Growth factor receptor antibody Cell signaling 4267S EGFR

References

  1. Jin, K., et al. Patient-derived human tumour tissue xenografts in immunodeficient mice: a systematic review. Clin Transl Oncol. 12 (7), 473-480 (2010).
  2. Siolas, D., Hannon, G. J. Patient-derived tumor xenografts: transforming clinical samples into mouse models. Cancer Res. 73 (17), 5315-5319 (2013).
  3. DeRose, Y. S., et al. Tumor grafts derived from women with breast cancer authentically reflect tumor pathology, growth, metastasis and disease outcomes. Nat Med. 17 (11), 1514-1520 (2011).
  4. Kabos, P., et al. Patient-derived luminal breast cancer xenografts retain hormone receptor heterogeneity and help define unique estrogen-dependent gene signatures. Breast cancer research and treatment. 135 (2), 415-432 (2012).
  5. Zhang, X., et al. A renewable tissue resource of phenotypically stable, biologically and ethnically diverse, patient-derived human breast cancer xenograft models. Cancer Res. 73 (15), 4885-4897 (2013).
  6. Lum, D. H., Matsen, C., Welm, A. L., Welm, B. E. Overview of human primary tumorgraft models: comparisons with traditional oncology preclinical models and the clinical relevance and utility of primary tumorgrafts in basic and translational oncology research. Curr Protoc Pharmacol. , (2012).
  7. Marangoni, E., et al. A new model of patient tumor-derived breast cancer xenografts for preclinical assays. Clin Cancer Res. 13 (13), 3989-3998 (2007).
  8. Garrido-Laguna, I., et al. Tumor engraftment in nude mice and enrichment in stroma- related gene pathways predict poor survival and resistance to gemcitabine in patients with pancreatic cancer. Clin Cancer Res. 17 (17), 5793-5800 (2011).
  9. Landis, M. D., Lehmann, B. D., Pietenpol, J. A., Chang, J. C. Patient-derived breast tumor xenografts facilitating personalized cancer therapy. Breast Cancer Res. 15 (1), 201 (2013).
  10. Norum, J. H., Andersen, K., Sorlie, T. Lessons learned from the intrinsic subtypes of breast cancer in the quest for precision therapy. Br J Surg. 101 (8), 925-938 (2014).
  11. Tentler, J. J., et al. Patient-derived tumour xenografts as models for oncology drug development. Nat Rev Clin Oncol. 9 (6), 338-350 (2012).
  12. Zhang, H., et al. Patient-derived xenografts of triple-negative breast cancer reproduce molecular features of patient tumors and respond to mTOR inhibition. Breast Cancer Res. 16 (2), R36 (2014).
  13. Liu, H., et al. Cancer stem cells from human breast tumors are involved in spontaneous metastases in orthotopic mouse models. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (42), 18115-18120 (2010).
  14. Kang, Y. Analysis of cancer stem cell metastasis in xenograft animal models. Methods Mol Biol. 568, 7-19 (2009).
  15. Thibaudeau, L., et al. Mimicking breast cancer-induced bone metastasis in vivo: current transplantation models and advanced humanized strategies. Cancer Metastasis Rev. 33 (2-3), 721-735 (2014).
  16. Francia, G., Cruz-Munoz, W., Man, S., Xu, P., Kerbel, R. S. Mouse models of advanced spontaneous metastasis for experimental therapeutics. Nat Rev Cancer. 11 (2), 135-141 (2011).
  17. Powell, E., et al. p53 deficiency linked to B cell translocation gene 2 (BTG2) loss enhances metastatic potential by promoting tumor growth in primary and metastatic sites in patient-derived xenograft (PDX) models of triple-negative breast cancer. Breast Cancer Res. 18 (1), (2016).
  18. DeRose, Y. S., et al. Patient-derived models of human breast cancer: protocols for in vitro and in vivo applications in tumor biology and translational medicine. Curr Protoc Pharmacol. , (2013).
  19. Wang, X., McManus, M. Lentivirus production. J Vis Exp. (32), (2009).
  20. Indumathi, S., et al. Lineage depletion of stromal vascular fractions isolated from human adipose tissue: a novel approach towards cell enrichment technology. Cytotechnology. 66 (2), 219-228 (2014).
  21. Hines, W. C., Yaswen, P., Bissell, M. J. Modelling breast cancer requires identification and correction of a critical cell lineage-dependent transduction bias. Nat Commun. 6, 6927 (2015).
  22. Campbell, J. P., Merkel, A. R., Masood-Campbell, S. K., Elefteriou, F., Sterling, J. A. Models of bone metastasis. J Vis Exp. (67), e4260 (2012).
  23. Kang, Y. Imaging TGFbeta Signaling in Mouse Models of Cancer Metastasis. Methods Mol Biol. 1344, 219-232 (2016).
  24. Jenkins, D. E., Hornig, Y. S., Oei, Y., Dusich, J., Purchio, T. Bioluminescent human breast cancer cell lines that permit rapid and sensitive in vivo detection of mammary tumors and multiple metastases in immune deficient mice. Breast Cancer Res. 7 (4), R444-R454 (2005).
  25. Lawson, D. A., et al. Single-cell analysis reveals a stem-cell program in human metastatic breast cancer cells. Nature. 526 (7571), 131-135 (2015).

Play Video

Cite This Article
Hanna, C., Kwok, L., Finlay-Schultz, J., Sartorius, C. A., Cittelly, D. M. Labeling of Breast Cancer Patient-derived Xenografts with Traceable Reporters for Tumor Growth and Metastasis Studies. J. Vis. Exp. (117), e54944, doi:10.3791/54944 (2016).

View Video