Summary

In vivo-model for prøvetagning Virkning af Hypoxi på tumormetastase

Published: December 09, 2016
doi:

Summary

This manuscript describes the development of an animal model that allows for the direct testing of the effects of tumor hypoxia on metastasis and the deciphering the mechanisms of its action. Although the experiments described here focus on Ewing sarcoma, a similar approach can be applied to other tumor types.

Abstract

Hypoxia has been implicated in the metastasis of Ewing sarcoma (ES) by clinical observations and in vitro data, yet direct evidence for its pro-metastatic effect is lacking and the exact mechanisms of its action are unclear. Here, we report an animal model that allows for direct testing of the effects of tumor hypoxia on ES dissemination and investigation into the underlying pathways involved. This approach combines two well-established experimental strategies, orthotopic xenografting of ES cells and femoral artery ligation (FAL), which induces hindlimb ischemia. Human ES cells were injected into the gastrocnemius muscles of SCID/beige mice and the primary tumors were allowed to grow to a size of 250 mm3. At this stage either the tumors were excised (control group) or the animals were subjected to FAL to create tumor hypoxia, followed by tumor excision 3 days later. The efficiency of FAL was confirmed by a significant increase in binding of hypoxyprobe-1 in the tumor tissue, severe tumor necrosis and complete inhibition of primary tumor growth. Importantly, despite these direct effects of ischemia, an enhanced dissemination of tumor cells from the hypoxic tumors was observed. This experimental strategy enables comparative analysis of the metastatic properties of primary tumors of the same size, yet significantly different levels of hypoxia. It also provides a new platform to further assess the mechanistic basis for the hypoxia-induced alterations that occur during metastatic tumor progression in vivo. In addition, while this model was established using ES cells, we anticipate that this experimental strategy can be used to test the effect of hypoxia in other sarcomas, as well as tumors orthotopically implanted in sites with a well-defined blood supply route.

Introduction

Ewing sarkom (ES) er en aggressiv malignitet rammer børn og unge. 1 Tumorerne udvikle sig i blødt væv og knogler, almindeligvis i lemmerne. Mens tilstedeværelsen af ​​metastaser er den mest kraftfulde negativ prognostisk faktor for ES patienter, mekanismerne bag deres udvikling er fortsat uklare. 2 Tumor hypoxia er en af de få faktorer er impliceret i ES progression. I ES-patienter, er tilstedeværelsen af ​​ikke-perfunderede områder i tumorvævet forbundet med dårlig prognose. 3 In vitro hypoxi øger invasionsevne af ES-celler og udløser ekspression af pro-metastatiske gener. 4-6 på trods af disse linjer af beviser, eksisterer imidlertid ingen direkte beviser for hypoxi-induceret ES progression og spredning. Desuden er de mekanismer, hvormed hypoxi udøver sådanne virkninger er i øjeblikket, ukendte. Derfor har vi skabt en in vivo model for at udfylde hullet mellem de eksisterende in vitro data og klinisk obserbemærkninger. Denne model system muliggør direkte test af virkningerne af hypoxi på tumorer, der forekommer i deres naturlige miljø, ved hjælp af magnetisk resonans imaging (MRI) for at følge tumorprogression og metastase in vivo i kombination med ex vivo patologiske og molekylære analyser (figur 1).

Da ingen etableret transgen model af ES er i øjeblikket tilgængelig, in vivo undersøgelser af metastatiske egenskaber af disse tumorer er afhængige af injektioner af humane celler i immunkompromitterede mus. Mens anvendelsen af ​​immunologisk svækkede dyr kan undervurdere virkningen af ​​immunsystemet på sygdomsprogression, evnen til at anvende humane celler øger oversættelighed af sådanne undersøgelser. Blandt forskellige xenograftmodeller, systemiske injektioner i halen vene er de nemmeste at udføre, men de udelader de indledende trin i tumor celle intravasation og flygte fra det primære sted for vækst. 7-12 På den anden side orthoto pic xenografting, som involverer injektioner af tumorceller i knogler (femur, ribben) eller muskler, er mere teknisk udfordrende, men også mere biologisk relevant for human cancer. 13-16 Men i fortiden, den høje sygelighed forbundet med hurtig vækst af primære tumorer har ofte nødvendiggjort dyr eutanasi før metastase udvikling. I denne undersøgelse anvendte vi en tidligere etableret model af celle- injektioner i musculus gastrocnemius efterfulgt af udskæring af den resulterende primære tumor kombineret med langsgående overvågning af metastatisk progression af MRI. 17,18 Sådanne injektioner i musculus gastrocnemius i umiddelbar nærhed af tibia tillader tumorvækst i to naturlige ES miljøer – muskler og knogler – og resultere i fjerne metastaser til steder typisk ramt hos mennesker. 18 Derved denne model rekapitulerer nøjagtigt de metastatiske processer, der forekommer i ES-patienter under sygdomsprogression.

telt "> Lokaliseringen af ​​primære tumorer i den nedre bagbenet letter også præcis styring af blodforsyningen til tumorvævet. femorale arterie ligering (FAL) er en veletableret teknik brugt i angiogenese forskning for at blokere blodstrømmen til distale regioner i benet og undersøge væv vaskularisering som reaktion på iskæmi. 19,20 Vigtigere er det indledende fald i blodstrømning er efterfulgt af sikkerhed beholderåbningen og væv reperfusion observeret ca. 3 dage efter FAL. 20 når således udføres i en tumor-bærende lemmer, denne model genskaber hypoxi / reperfusionshændelser, der forekommer naturligt i hurtigt voksende tumorer og muliggør udslip af metastatiske tumorceller på grund af restaurering af perfusion til den nedre bagbenet via nyligt åbnede kollaterale kar. 21 er vigtigt, denne fremgangsmåde skal udføres, når tumorstørrelsen er lille nok til at forhindre overdreven hypoxi i kontroltumorer (typisk ved tumorbærende kalv volume på 150 – 250 mm 3), sikrer signifikante forskelle i tumor hypoxi mellem kontrol og FAL-behandlede grupper.

Foruden langsgående overvågning af effekten af ​​hypoxi på ES latens og hyppigheden af ​​metastaser, denne model giver også mulighed for indsamling af væv og udviklingen af ​​nye cellelinjer fra både primære tumorer og metastaser. Vigtigere, tidligere arbejde fastslået, at metastaser-afledte cellelinier udvise forøget metastatisk potentiale ved genindførelse til dyr, hvilket indikerer at spredning tumor er forbundet med permanente ændringer i tumorcellen fænotype, og derved validere anvendelse af disse cellelinjer til at dechifrere de metastatiske processer. 18 Tilsammen kan disse modeller nu anvendes til de genetiske og molekylære analyser nødvendige for at identificere hypoxi-induceret metastatiske pathways.

Som hypoxi er en pro-metastatisk faktor øge malignitet af forskellige tumors, kan vores model bruges som en platform til at undersøge den rolle, hypoxi ved andre tumorer, der naturligt udvikler i lemmerne, såsom osteosarkom og rhabdomyosarcoma. 21-23 Desuden kan en lignende fremgangsmåde anvendes på maligniteter vokser i andre anatomiske steder med en veldefineret rute blodtilførsel. I sidste ende kan modellen ændres og dens anvendelighed yderligere udvidet, afhængigt af individuelle forskningsbehov.

Protocol

Alle procedurer blev godkendt af Georgetown University Institutional Animal Care og brug Udvalg. 1. Cell Forberedelse til ortotopisk Injektioner Kultur humane ES-celler under standardbetingelser. Brug cirka en 15-cm cellekultur plade, der ikke overstiger 70% af konfluens til injektion af 5 mus. BEMÆRK: Til denne undersøgelse SK-ES1 celler blev dyrket i McCoys 5A-medium med 15% føtalt bovint serum (FBS) på collagen-coatede plader og TC71-celler blev dyrket i RPMI med 10%…

Representative Results

Efter injektion af ES-celler i musculus gastrocnemius er de primære tumorer fik lov til at vokse til en kalv størrelse på 250 mm3 (figur 1, 2). Den nødvendige tid til tumorerne til at nå denne mængde typisk spænder fra 10 – 15 dage for TC71 til 20-25 dage for SK-ES1 xenografter hhv. Tumorer ved en kalv volumen på 250 mm3, udviser et relativt lavt niveau af endogen hypoxi (ca. 3% af tumorvæv), baseret på hypoxybrobe-1 (pimonidazole) farvnin…

Discussion

Vores model involverer sammenligning af metastase i to forsøgsgrupper – en kontrolgruppe, hvor tumorerne får lov at udvikle sig i bagbenet efterfulgt af amputation efter at have nået en kalv volumen på 250 mm3, og en hypoxi-eksponerede gruppe, hvor tumor- bærende bagben udsættes for FAL ved samme volumen, efterfulgt af amputation 3 dage senere. Selvom i disse eksperimenter de FAL-behandlede tumorer er amputeret med en lille forsinkelse, sammenlignet med kontrol tumorer, er deres størrelse ikke stige i …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by National Institutes of Health (NIH) grants: UL1TR000101 (previously UL1RR031975) through the Clinical and Translational Science Awards Program, 1RO1CA123211, 1R03CA178809, R01CA197964 and 1R21CA198698 to JK. MRI was performed in the Georgetown-Lombardi Comprehensive Cancer Center’s Preclinical Imaging Research Laboratory (PIRL) and tissue processing in the Georgetown-Lombardi Comprehensive Cancer Center’s Histopathology & Tissue Shared Resource, both supported by NIH/NCI grant P30-CA051008. The authors thank Dan Chalothorn and James E. Faber, Department of Cell Biology and Physiology, University of North Carolina at Chapel Hill, for their assistance with postmortem x-ray angiography, and providing insight and expertise on collaterogenesis.

Materials

SK-ES1 Human Ewing sarcoma (ES) cells ATCC
TC71 Human ES cells Kindly provided from Dr. Toretsky
McCoy's 5A (modified) Medium Gibco by Life Technologies 12330-031
RPMI-1640 ATCC 30-2001
PBS Corning Cellgro 21-040-CV
FBS Sigma-Aldrich F2442-500mL
0.25% Trypsin-EDTA (1X) Gibco by Life Technologies 25200-056
Penicillin-Streptomycin Gibco by Life Technologies 15140-122
Fungizone® Antimycotic Gibco by Life Technologies 15290-018
MycoZap™ Prophylactic Lonza VZA-2032
Collagen Type I Rat tail high concetration BD Biosciences 354249
SCID/beige mice Harlan or Charles River 250 (Charles River) or 18602F (Harlan)
1 mL Insulin syringes with permanently attached 28G½ needle  BD 329424
Saline (0.9% Sodium Chloride Injection, USP) Hospira, INC NDC 0409-7984-37
Digital calipers World Precision Instruments, Inc 501601
Surgical Tools Fine Science Tools
Rimadyl (Carprofen) Injectable  Zoetis
Hypoxyprobe-1 (Pimonidazole Hydrochloride solid) HPI, Inc HP-100mg
hypoxyprobe-2 (CCI-103F-250mg) HPI, Inc CCI-103F-250mg
Povidone-iodine Swabstick PDI S41350
Sterile alcohol prep pad Fisher HealthCare 22-363-750
LubriFresh P.M. (eye lubricant ointment)  Major Pharaceuticals NDC 0904-5168-38
VWR Absorbent Underpads with Waterproof Moisture Barrier VWR 56617-014 
Oster Golden A5 Single Speed Vet Clipper with size 50 blade Oster 078005-050-002 (clipper), 078919-006-005 (blade)
Nair Lotion with baby oil Church & Dwight Co., Inc.
Silk 6-0 Surgical Specialties Corp 752B
Prolene (polypropylene) suture 6-0 Ethicon 8680G
Vicryl (Polyglactin 910) suture 4-0  Ethicon J386H
Fisherbrand Applicators (Purified cotton) Fisher Scientific 23-400-115
GelFoam Absorbable Dental Sponges – Size 4 Pfizer Pharmaceutical 9039605
Autoclip Wound Clip Applier BD 427630
Stereo Microscope Olympus SZ61
Autoclip remover BD 427637
Aound clip BD 427631
MRI 7 Tesla Bruker Corporation
Paravision 5.0 software Bruker Corporation
CO2 Euthanasia system VetEquip
25G 5/8 Needle (for heart-puncture) BD 305122
0.1 mL syringe (for heart-puncture) Terumo SS-01T
 K3 EDTA Micro tube 1.3ml Sarstedt 41.1395.105
10% Neutral Buttered Formalin Fisher Scientific SF100-4

Referências

  1. Lessnick, S. L., Ladanyi, M. Molecular pathogenesis of Ewing sarcoma: new therapeutic and transcriptional targets. Annu Rev Pathol. 7, 145-159 (2012).
  2. Ladenstein, R. Primary disseminated multifocal Ewing sarcoma: results of the Euro-EWING 99 trial. J Clin Oncol. 28, 3284-3291 (2010).
  3. Dunst, J., Ahrens, S., Paulussen, M., Burdach, S., Jurgens, H. Prognostic impact of tumor perfusion in MR-imaging studies in Ewing tumors. Strahlenther Onkol. 177, 153-159 (2001).
  4. Aryee, D. N. Hypoxia modulates EWS-FLI1 transcriptional signature and enhances the malignant properties of Ewing’s sarcoma cells in vitro. Pesquisa do Câncer. 70, 4015-4023 (2010).
  5. Knowles, H. J., Schaefer, K. L., Dirksen, U., Athanasou, N. A. Hypoxia and hypoglycaemia in Ewing’s sarcoma and osteosarcoma: regulation and phenotypic effects of Hypoxia-Inducible Factor. BMC cancer. 10, 372 (2010).
  6. Tilan, J. U. Hypoxia shifts activity of neuropeptide Y in Ewing sarcoma from growth-inhibitory to growth-promoting effects. Oncotarget. 4, 2487-2501 (2013).
  7. Franzius, C. Successful high-resolution animal positron emission tomography of human Ewing tumours and their metastases in a murine xenograft model. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 33, 1432-1441 (2006).
  8. Hauer, K. DKK2 mediates osteolysis, invasiveness, and metastatic spread in Ewing sarcoma. Pesquisa do Câncer. 73, 967-977 (2012).
  9. Manara, M. C. Preclinical in vivo study of new insulin-like growth factor-I receptor–specific inhibitor in Ewing’s sarcoma. Clin Cancer Res. 13, 1322-1330 (2007).
  10. Scotlandi, K. Murine model for skeletal metastases of Ewing’s sarcoma. J Orthop Res. 18, 959-966 (2000).
  11. Vormoor, J. Establishment of an in vivo model for pediatric Ewing tumors by transplantation into NOD/scid mice. Pediatr Res. 49, 332-341 (2001).
  12. Picarda, G. Preclinical evidence that use of TRAIL in Ewing’s sarcoma and osteosarcoma therapy inhibits tumor growth, prevents osteolysis, and increases animal survival. Clin Cancer Res. 16, 2363-2374 (2010).
  13. Vormoor, B. Development of a preclinical orthotopic xenograft model of ewing sarcoma and other human malignant bone disease using advanced in vivo imaging. PLoS One. 9, e85128 (2014).
  14. Wang, Y. Platelet-derived growth factor receptor beta inhibition increases tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) sensitivity: imatinib and TRAIL dual therapy. Cancer. 116, 3892-3902 (2010).
  15. Wang, Y. X. Inhibiting platelet-derived growth factor beta reduces Ewing’s sarcoma growth and metastasis in a novel orthotopic human xenograft model. In Vivo. 23, 903-909 (2009).
  16. Odri, G. A. Zoledronic acid as a new adjuvant therapeutic strategy for Ewing’s sarcoma patients. Pesquisa do Câncer. 70, 7610-7619 (2010).
  17. Merchant, M. S. Interferon gamma enhances the effectiveness of tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand receptor agonists in a xenograft model of Ewing’s sarcoma. Pesquisa do Câncer. 64, 8349-8356 (2004).
  18. Hong, S. H. High neuropeptide Y release associates with Ewing sarcoma bone dissemination – in vivo model of site-specific metastases. Oncotarget. 6, 7151-7165 (2015).
  19. Lee, E. W. Neuropeptide Y induces ischemic angiogenesis and restores function of ischemic skeletal muscles. J Clin Invest. 111, 1853-1862 (2003).
  20. Tilan, J. U. Platelet neuropeptide Y is critical for ischemic revascularization in mice. FASEB J. , (2013).
  21. Toffoli, S., Michiels, C. Intermittent hypoxia is a key regulator of cancer cell and endothelial cell interplay in tumours. The FEBS journal. 275, 2991-3002 (2008).
  22. Das, B. Hypoxia enhances tumor stemness by increasing the invasive and tumorigenic side population fraction. Stem cells (Dayton, Ohio). 26, 1818-1830 (2008).
  23. Arndt, C. A., Rose, P. S., Folpe, A. L., Laack, N. N. Common musculoskeletal tumors of childhood and adolescence. Mayo Clin Proc. 87, 475-487 (2012).
  24. Mendoza, A. A novel noninvasive method for evaluating experimental lung metastasis in mice. J Am Assoc Lab Anim Sci. 52, 584-589 (2013).
  25. Feldman, D. B., Seely, J. C. . Necropsy Guide: Rodents and the Rabbit. , (1988).
  26. Parkinson, C. M. Diagnostic necropsy and selected tissue and sample collection in rats and mice. J Vis Exp. , (2011).
  27. Raymond, A. K., Lazar, A. J., PP, L. i. n., S, P. a. t. e. l. . Bone Sarcoma. , (2013).
  28. Dietel, M., Arps, H., Gerding, D., Trapp, M., Niendorf, A. Establishment of primary cell cultures: experiences with 155 cell strains. Klin Wochenschr. 65, 507-512 (1987).
  29. Varghese, A. J., Gulyas, S., Mohindra, J. K. Hypoxia-dependent reduction of 1-(2-nitro-1-imidazolyl)-3-methoxy-2-propanol by Chinese hamster ovary cells and KHT tumor cells in vitro and in vivo. Pesquisa do Câncer. 36, 3761-3765 (1976).
check_url/pt/54532?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Hong, S., Tilan, J. U., Galli, S., Acree, R., Connors, K., Mahajan, A., Wietlisbach, L., Polk, T., Izycka-Swieszewska, E., Lee, Y., Cavalli, L. R., Rodriguez, O. C., Albanese, C., Kitlinska, J. B. In Vivo Model for Testing Effect of Hypoxia on Tumor Metastasis. J. Vis. Exp. (118), e54532, doi:10.3791/54532 (2016).

View Video