Summary

Beeldverwerking en flowcytometrie-gebaseerde analyse van de Cel standpunt en de celcyclus in 3D Melanoom Sferoïden

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

Multicellulaire sferoïden 3D zijn bekend als een tumormodel decennia, maar het is pas onlangs aan dat zij vaker gebruik als een in vitro model voor vele vaste kankers zijn gekomen. Ze worden steeds vaker gebruikt in high-throughput drug discovery schermen als intermediair tussen complexe, kostbare en tijdrovende in vivo modellen en de eenvoudige, goedkope 2D monolaag model 1-6. Studies in 2D cultuur zijn vaak niet in staat om te worden gerepliceerd in vivo. Bolvormige modellen van vele soorten kanker kunnen de groeikenmerken, drug gevoeligheid, geneesmiddelpenetratie, cel-cel interacties, beperkte beschikbaarheid van zuurstof en voedingsstoffen en ontwikkeling van necrose die wordt gezien in vivo bij vaste tumoren 6-11 nabootsen. Sferoïden ontwikkelen van een necrotische kern, een zwakke of G1 aangehouden regio rond de kern, en prolifererende cellen op de omtrek van de sferoïde 7. De ontwikkeling van deze regio'sis afhankelijk van de celdichtheid, proliferatiesnelheid en de omvang van de sferoïde 12. Er is verondersteld dat de cellulaire heterogeniteit waargenomen in de verschillende sub-gebieden kunnen bijdragen tot kankertherapie weerstand 13,14. Daarom is de mogelijkheid om cellen te analyseren in deze gebieden afzonderlijk is cruciaal inzicht tumorgeneesmiddel responsen.

De fluorescentie ubiquitinatie celcyclus indicator (Fucci) is gebaseerd op de rode (Kusabira Orange – KO) en groene (Azami Green – AG) fluorescerende tagging van CDT1 en geminin, die worden afgebroken in verschillende fasen van de celcyclus 15. Zo celkernen verschijnen rood in G1, geel in de vroege S en groen in S / G2 / M-fase. We beschrijven hier twee complementaire methoden beide met Fucci de celcyclus identificeren, samen met het gebruik van beeldverwerkingssoftware of kleurstofdiffusie flowcytometrie test om te bepalen of cellen in de G1 aangehouden midden of buitenste proliferatin verblijfG ring, en de afstand van de individuele cellen van de rand van de sferoïde. Deze methoden werden ontwikkeld in onze eerdere publicatie waarin we aangetoond dat melanoomcellen in hypoxische gebieden in het midden van het bolvormige of / en in aanwezigheid van gerichte therapieën kunnen in G1 arrest voor langere tijd blijft en opnieuw kan voer de celcyclus bij gunstiger voorwaarden ontstaan ​​7.

Protocol

1. Fucci Transductie en Cultuur van de Cel Fucci transductie Maak cellijnen stabiel tot expressie de Fucci construeert mKO2-hCdt1 (30-120) en MAG-hGem (1-100) 15 met behulp van lentivirus co-transductie zoals eerder beschreven 7. Opmerking: Het Fucci systeem is nu in de handel verkrijgbaar. Genereren sub-klonen met heldere fluorescentie door eencellige sorteren. Sorteer enkele cellen positief voor zowel AG en KO (geel) van fluorescentie-geactiveerde celsortering…

Representative Results

Er zijn verschillende methoden voor het produceren van bolvormige tumoren, dit protocol gebruikt de niet-hechtende groei methode, waarbij cellen gekweekt op agar of agarose 3,7,9. Figuur 1 toont een voorbeeld van een melanoom C8161 sferoïde na 3 dagen op agar. C8161 sferoïden vormen normaal formaat bolvormige deeltjes met een diameter van 500 – 600 urn (gemiddelde = 565, SD = 19, n = 3) na 3 dagen. Andere melanoom cellijnen die sferoïden zullen vormen, omvatten: WM793, WM983C, WM983B, WM16…

Discussion

Semi-automatische beeldanalyse geïdentificeerd de bolvormige innerlijke G1 gearresteerd regio en uitdijende buitenste lagen. Deze werkwijze kan worden toegepast voor levende sferoïden behulp van een optische sectie of in vaste bolvormige gedeelten, veranderingen in niet alleen de celcyclus maar merkerexpressie (via immunofluorescentie), celdood of celmorfologie in de verschillende regio's te identificeren. Cel beweeglijkheid binnen de verschillende bolvormige regio kan ook worden gekwantificeerd – als live-confoca…

Declarações

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

Referências

  1. LaBarbera, D. V., Reid, B. G., Yoo, B. H. The multicellular tumor spheroid model for high-throughput cancer drug discovery. Expert opinion on drug discovery. 7, 819-830 (2012).
  2. Beaumont, K. A., Mohana-Kumaran, N., Haass, N. K. Modeling Melanoma In Vitro and In Vivo. Healthcare. 2, 27-46 (2014).
  3. Smalley, K. S., Lioni, M., Noma, K., Haass, N. K., Herlyn, M. In vitro three-dimensional tumor microenvironment models for anticancer drug discovery. Expert opinion on drug discovery. 3, 1-10 (2008).
  4. Reid, B. G., et al. Live multicellular tumor spheroid models for high-content imaging and screening in cancer drug discovery. Current chemical genomics and translational medicine. 8, 27-35 (2014).
  5. Kunz-Schughart, L. A., Freyer, J. P., Hofstaedter, F., Ebner, R. The use of 3-D cultures for high-throughput screening: the multicellular spheroid model. Journal of biomolecular screening. 9, 273-285 (2004).
  6. Hirschhaeuser, F., et al. Multicellular tumor spheroids: an underestimated tool is catching up again. Journal of biotechnology. 148, 3-15 (2010).
  7. Haass, N. K., et al. Real-time cell cycle imaging during melanoma growth, invasion, and drug response. Pigment cell & melanoma research. 27, 764-776 (2014).
  8. Lucas, K. M., et al. Modulation of NOXA and MCL-1 as a strategy for sensitizing melanoma cells to the BH3-mimetic ABT-737. Clinical cancer research : an official journal of the American Association for Cancer Research. 18, 783-795 (2012).
  9. Smalley, K. S., et al. Multiple signaling pathways must be targeted to overcome drug resistance in cell lines derived from melanoma metastases. Molecular cancer therapeutics. 5, 1136-1144 (2006).
  10. Thoma, C. R., Zimmermann, M., Agarkova, I., Kelm, J. M., Krek, W. 3D cell culture systems modeling tumor growth determinants in cancer target discovery. Advanced drug delivery reviews. 69-70, 29-41 (2014).
  11. Santini, M. T., Rainaldi, G. Three-dimensional spheroid model in tumor biology. Pathobiology : journal of immunopathology, molecular and cellular biology. 67, 148-157 (1999).
  12. Sutherland, R. M. Cell and environment interactions in tumor microregions: the multicell spheroid model. Science. 240, 177-184 (1988).
  13. Haass, N. K. Dynamic tumour heterogeneity in melanoma therapy: how do we address this in a novel model system?. Melanoma Manag. 2, 93-95 (2015).
  14. Desoize, B., Jardillier, J. Multicellular resistance: a paradigm for clinical resistance. Critical reviews in oncology/hematology. 36, 193-207 (2000).
  15. Sakaue-Sawano, A., et al. Visualizing spatiotemporal dynamics of multicellular cell-cycle progression. Cell. 132, 487-498 (2008).
  16. Basu, S., Campbell, H. M., Dittel, B. N., Ray, A. Purification of specific cell population by fluorescence activated cell sorting (FACS). Journal of visualized experiments : JoVE. , (2010).
  17. Smalley, K. S., et al. Up-regulated expression of zonula occludens protein-1 in human melanoma associates with N-cadherin and contributes to invasion and adhesion. The American journal of pathology. 166, 1541-1554 (2005).
  18. Wang, Q., et al. Targeting glutamine transport to suppress melanoma cell growth. International journal of cancer. Journal international du cancer. 135, 1060-1071 (2014).
  19. Lorenzo, C., et al. Live cell division dynamics monitoring in 3D large spheroid tumor models using light sheet microscopy. Cell division. 6, 22 (2011).
  20. Pampaloni, F., Ansari, N., Stelzer, E. H. High-resolution deep imaging of live cellular spheroids with light-sheet-based fluorescence microscopy. Cell and tissue research. 352, 161-177 (2013).
  21. Durand, R. E. Use of Hoechst 33342 for cell selection from multicell systems. The journal of histochemistry and cytochemistry : official journal of the Histochemistry Society. 30, 117-122 (1982).
  22. Laurent, J., et al. Multicellular tumor spheroid models to explore cell cycle checkpoints in 3D. BMC cancer. 13, 73 (2013).
  23. LaRue, K. E., Khalil, M., Freyer, J. P. Microenvironmental regulation of proliferation in multicellular spheroids is mediated through differential expression of cyclin-dependent kinase inhibitors. Cancer research. 64, 1621-1631 (2004).
  24. Kyle, A. H., Huxham, L. A., Baker, J. H., Burston, H. E., Minchinton, A. I. Tumor distribution of bromodeoxyuridine-labeled cells is strongly dose dependent. Cancer research. 63, 5707-5711 (2003).
  25. Minchinton, A. I., Tannock, I. F. Drug penetration in solid tumours. Nature reviews. Cancer. 6, 583-592 (2006).
  26. Giesbrecht, J. L., Wilson, W. R., Hill, R. P. Radiobiological studies of cells in multicellular spheroids using a sequential trypsinization technique. Radiation research. 86, 368-386 (1981).

Play Video

Citar este artigo
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).

View Video