Generation av High-Throughput tredimensionella tumör Spheroids för drogkontroll
Summary
Över en mängd olika tecken på sjukdom, mer fysiologiskt relevanta modeller är utvecklade och implementerade i drug discovery program. Ny modell systemet beskrivs här visar hur tredimensionella tumör spheroids kan vara odlade och screening i ett hög genomströmning 1536-well plate-baserat system att söka efter nya onkologi droger.
Abstract
Cancerceller har rutinmässigt varit odlade i två dimensioner (2D) på en plast yta. Denna teknik, saknar dock en sann miljö en tumör massa utsätts för i vivo. Solida tumörer växer inte som ett blad bifogas plast, men i stället som en samling klonal celler i en tredimensionell (3D) utrymme interagerar med sina grannar och med skilda rumsliga egenskaper såsom störningar av normal cellulär polaritet. Dessa interaktioner orsaka 3D-odlade celler förvärva morfologiska och cellulära egenskaper som är mer relevanta i vivo tumörer. Dessutom en tumör massa är i direkt kontakt med andra celltyper som stromaceller och immuna celler, samt den extracellular matrisen från alla andra celltyper. Matrisen deponeras består av makromolekyler som kollagen och Fibronektin.
I ett försök att öka översättning av forskningsresultat i onkologi från bänk till säng, har många grupper börjat undersöka användningen av 3D-modellsystem i deras strategier för utveckling av läkemedel. Dessa system är tänkt att vara mer fysiologiskt relevanta eftersom de försöker sammanfatta den komplex och heterogen miljön av en tumör. Dessa system, men kan vara ganska komplicerat, och även om det är mottagliga för tillväxt i 96 brunnar format och några nu även i 384, de erbjuder några alternativ för storskalig tillväxt och screening. Denna observerade gap har lett till utvecklingen av metoderna som beskrivs här i detalj till kultur tumör spheroids i en hög genomströmning kapacitet i 1536 brunnar. Dessa metoder utgör en kompromiss till mycket komplexa matrix-baserat system, som är svåra att skärmen och konventionella 2D-analyser. En mängd cancer cellinjer härbärgerat olika genetiska mutationer screenas framgångsrikt, undersöka sammansatta effekt genom att använda ett kuraterade bibliotek av föreningar inriktning Mitogen-Activated proteinkinas eller MAPK utbildningsavsnitt. Sfäroid kultur Svaren jämförs sedan med svaret från celler odlade i 2D, och differentiell aktiviteter redovisas. Dessa metoder ger en unik protokoll för testning sammansatta aktivitet i en hög genomströmning 3D miljö.
Introduction
Under det senaste årtiondet, har fler och fler studier implementerat 3D cell kultur modeller att förstå begrepp som inte är fullt återgetts av växande celler i 2D på plast. Exempel på dessa begrepp är växlingen i normala epitelceller polaritet1 där den rumsliga orienteringen av apikala och basala lager av celler är förlorade, samt rollen som den extracellular matrisen reglera överlevnad och cell öde. Onkologi forskning, i synnerhet, har använt 3D-modeller för att förstå grundläggande biologi cancerceller och skillnaderna mellan 2D och 3D cell kultur system3,4. Utvecklingen av mer sofistikerade cell kultur tekniker och deras ytterligare anpassning till flera format har aktiverat sökandet efter nya läkemedel i 3D-inställningar. I motsats till celler som odlas under 2D förhållanden, 3D-modeller av tumörer varierar i komplexitet från skiktad cellulära system5 till single-cell-typ sfärer av olika storlekar, till komplexa multi-cell-typ sfärer6,7, 8. upptäckten av nya föreningar eller biologiska läkemedel som kraftigt inducerar celldöd i dessa 3D modellsystem är därför av stort intresse i drogen utveckling kampanjer. Effektmått av dessa analyser är ofta identiska med dem som utförs i 2D kulturer att bedöma förändringar i cellproliferation, men när bedrivs i en mer fysiologiskt relevanta inställning, de kan avslöja den sanna nivån av beroende av målgenen eller väg som förhördes.
Som infördes ovan, olika modellsystem har utvecklats för att studera drog svaren i 3D kultur system, men flesta använder antingen 96 eller 384-väl mikrotiter plattor och är inte lätt att anpassa till de high-throughput screening (HTS) format används ofta i Drug discovery screening kampanjer. Sådana system inkluderar användning av hängande droppe teknik, sfäroid kulturer, pulserande celler med magnetiska partiklar att inducera levitation och kulturer innehåller naturliga eller syntetiska geler som kollagen, Matrigel eller polyetylenglykol (PEG)2 . Här presenterar vi de detaljerade metoderna för en tidigare utvecklade teknik för att producera 3D sfäroid kulturer från etablerad cancer cellinjer i 1536-well platta format. I detta protokoll används en mycket definierade medium som förhindrar fastsättning av normalt fastsittande cell linjer9. Detta system har begränsningar (dvsdet kan inte helt sammanfatta komplexa modellsystem av cancer), men dock dessa analyser aktivera en high-throughput screening av stora samlingar av små molekyler och på tvären jämförelser av narkotika svar mellan 2D och 3D kulturer mot en mängd olika cellinjer och föreningar.
Cellinjer valt för att demonstrera metoderna i denna artikel alla harbor mutationer i gener besläktade med den MAPK signalering väg, en väg som är mycket dysreglerad i cancer, och för vilka många therapeutics finns tillgängliga. Många av linjerna har aktiverande onkogena mutationer i Kirsten råtta sarkom viruset också kallad KRAS, neuroblastom RAS eller de nationella Regleringsmyndigheterna, i Harvey råtta sarkom virus onkogen eller HRAS och de associerade kinaser snabbt accelererade fibrosarkom, även känd som RAFs. Nyare litteratur tyder på att hämmare av olika noder i denna väg är unikt effektivare i en delmängd av cellinjer som när den odlas under 3D villkor9,10. En studie fann att när cancerceller med aktiv RAS odlades i 3D, de visade ökad känslighet för MAPK-hämmare, och vidare att detta tillvägagångssätt kunde identifiera vägar och riktade hämmare som kan missas i den traditionella 2D inställningen. Målet med denna studie är att presentera de metoder som används till kultur dessa cellinjer och ytterligare, för att påvisa differential cell Svaren till dessa hämmare som kan observeras endast när du använder 3D kultur system.
Protocol
Representative Results
Discussion
De metoder som presenteras här visar en detaljerad protokollet om hur man producerar tumör spheroids i 1536 brunnar för storskalig sammansatt filmvisningar. Dessa metoder var ursprungligen anpassad från arbete vid National Cancer Institute där tumören spheroids odlades i låg genomströmning analyser i 6-väl och 96 brunnar plattor att ställa frågor om genetiska beroenden och sammansatta känslighet13, 14 , 15. en kritis…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna Marc Ferrer på National Center för framflyttning translationell vetenskaper, National Institutes of Health för hans stöd och vägledning på den inledande utvecklingen av dessa analyser. Dessutom vill vi tacka Alyson Freeman, Mariela Jaskelioff, Michael Acker, Jacob Haling och Vesselina Cooke för deras vetenskapliga input och diskussion som projektets teammedlemmar.
Materials
| Reagents | |||
| DMEM Dulbecco`s Modified Eagle Media (DMEM)/F12 | ATCC | 30-2006 | Purchased as a prepared solution. This reciepe was found to be preferred compared to other vendors. |
| DMEM Dulbecco`s Modified Eagle Media (DMEM)/F12 | Lonza | 12-604F | Purchased as a prepared solution. |
| Roswell Park Memorial Institute (RPMI) | Lonza | 12-115Q | Purchased as a prepared solution. |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Seradigm | 1500-500 | Purchased as a prepared solution. |
| 1x 0.25% Trypsin with Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Hyclone | SH30042.01 | Purchased as a prepared solution. |
| 1x Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15140 | Purchased as a prepared solution. |
| 10 ng/mL Human basic Fibrobast Growth Factor (bFGF) | Sigma | F0291 | Resuspend in sterile water. |
| 20 ng/mL Human Epidermal Growth Factor (EGF) | Sigma | E9644 | Resuspend in sterile water. |
| 0.4% Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | A9418 | Resuspend in sterile PBS and filter. |
| 1x Insulin Transferrin Selenium (ITS) | Gibco | 51500056 | |
| 1% KnockOut (KO) Serum Replacement | Gibco | 10828-028 | Add fresh right before use. |
| 100% Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma | 276855-100ML | |
| CellTiter-Glo | Promega | G7573 | Purchased as a prepared solution. |
| Consumables | |||
| Small Combi Cassette | ThermoFisher | 24073295 | |
| Small Multiflow Cassette | BioTek | 294085 | |
| 1536-well sterile TC plates (white) | Corning | 3727 | |
| 1536-well sterile TC plates (black) | Corning | 3893 | |
| Scivax Plates | MBL International | NCP-LH384-10 | |
| Equipment | |||
| Adhesives seals | ThermoFisher | AB0718 | |
| Spinning Incubator | LiCONiC | ||
| Stainless Steel Lids | The Genomics Institute of Novartis Research Foundation (GNF) | ||
| ATS Acoustic Dispensor | EDS Biosystems | ||
| Echo Acoustic Dispensor | Labcyte | ||
| Luminometer | Envision-Perkin Elmer | ||
| Peristaltic Pump- Multidrop Combi | ThermoFisher | ||
| Liquid Handler-Multiflow FX | BioTek |
Referências
- Lee, M., Vasioukhin, V. Cell polarity and cancer–cell and tissue polarity as a non-canonical tumor suppressor. Journal of Cell Science. 121 (Pt 8), 1141-1150 (2008).
- Nath, S., Devi, G. R. Three-dimensional culture systems in cancer research: Focus on tumor spheroid model. Pharmacology & Therapeutics. 163, 94-108 (2016).
- Weigelt, B., Ghajar, C. M. The need for complex 3D culture models to unravel novel pathways and identify accurate biomarkers in breast cancer. Advanced Drug Delivery Reviews. 69, 42-51 (2014).
- Li, Q., Chow, A. B., Mattingly, R. R. Three-dimensional overlay culture models of human breast cancer reveal a critical sensitivity to mitogen-activated protein kinase kinase inhibitors. The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 332 (3), 821-828 (2010).
- Li, L., Lu, Y. Optimizing a 3D Culture System to Study the Interaction between Epithelial Breast Cancer and Its Surrounding Fibroblasts. Journal of Cancer. 2, 458-466 (2011).
- Pickl, M., Ries, C. H. Comparison of 3D and 2D tumor models reveals enhanced HER2 activation in 3D associated with an increased response to trastuzumab. Oncogene. 28 (3), 461-468 (2009).
- Nyga, A., Cheema, U., Loizidou, M. 3D tumour models: novel in vitro approaches to cancer studies. Journal of Cell Communication and Signaling. 5 (3), 239-248 (2011).
- Kimlin, L. C., Casagrande, G., Virador, V. M. In vitro three-dimensional (3D) models in cancer research: an update. Molecular Carcinogenesis. 52 (3), 167-182 (2013).
- Mathews Griner, L. A., et al. Large-scale pharmacological profiling of 3D tumor models of cancer cells. Cell Death & Disease. 7 (12), e2492 (2016).
- Polo, M. L., et al. Responsiveness to PI3K and MEK inhibitors in breast cancer. Use of a 3D culture system to study pathways related to hormone independence in mice. PLoS One. 5 (5), e10786 (2010).
- Hatzivassiliou, G., et al. RAF inhibitors prime wild-type RAF to activate the MAPK pathway and enhance growth. Nature. 464 (7287), 431-435 (2010).
- Bhargava, A., et al. Registered report: RAF inhibitors prime wild-type RAF to activate the MAPK pathway and enhance growth. Elife. 5, e09976 (2016).
- Mathews, L. A., Hurt, E. M., Zhang, X., Farrar, W. L. Epigenetic regulation of CpG promoter methylation in invasive prostate cancer cells. Molecular Cancer. 9, 267 (2010).
- Mathews, L. A., Crea, F., Farrar, W. L. Epigenetic gene regulation in stem cells and correlation to cancer. Differentiation. 78 (1), 1-17 (2009).
- Mathews, L. A., et al. Increased expression of DNA repair genes in invasive human pancreatic cancer cells. Pancreas. 40 (5), 730-739 (2011).
- Mathews, L. A., et al. A 1536-well quantitative high-throughput screen to identify compounds targeting cancer stem cells. Journal of Biomolecular Screening. 17 (9), 1231-1242 (2012).
- Horii, T., Nagao, Y., Tokunaga, T., Imai, H. Serum-free culture of murine primordial germ cells and embryonic germ cells. Theriogenology. 59 (5-6), 1257-1264 (2003).
- Sun, L., et al. Epigenetic regulation of SOX9 by the NF-kappaB signaling pathway in pancreatic cancer stem cells. Stem Cells. 31 (8), 1454-1466 (2013).
- Mathews, L. A., et al. A 1536-well quantitative high-throughput screen to identify compounds targeting cancer stem cells. Journal of Biomolecular Screening. 17 (9), 1231-1242 (2012).
- Mathews Griner, L. A., et al. High-throughput combinatorial screening identifies drugs that cooperate with ibrutinib to kill activated B-cell-like diffuse large B-cell lymphoma cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (6), 2349-2354 (2014).
- Herter, S., et al. A novel three-dimensional heterotypic spheroid model for the assessment of the activity of cancer immunotherapy agents. Cancer Immunology, Immunotherapy. 66 (1), 129-140 (2017).
