Summary

Vurdering cellelevedygtighed og død i 3D Spheroid kulturer af kræftceller

Published: June 16, 2019
doi:

Summary

Her præsenterer vi flere enkle metoder til at evaluere levedygtighed og død i 3D cancer celle sfæroider, som efterligner de fysisk-kemiske gradienter af in vivo tumorer meget bedre end 2D-kulturen. Den sfæide model giver derfor mulighed for evaluering af kræft stof effektivitet med forbedret oversættelse til in vivo betingelser.

Abstract

Tre-dimensionelle sfæroider af kræftceller er vigtige redskaber til både kræft stof skærme og for at få mekanistisk indsigt i kræft cellebiologi. Kraften i denne forberedelse ligger i dens evne til at efterligne mange aspekter af in vivo betingelser for tumorer, mens de er hurtige, billige, og alsidig nok til at tillade relativt høj-gennemløb screening. De sfæide dyrkningsbetingelser kan rekapitulere de fysisk-kemiske gradienter i en tumor, herunder den stigende ekstracellulære surhedsgrad, øget lactat og faldende glukose-og ilttilgængelighed fra den sfæide periferi til dens kerne. Også, de mekaniske egenskaber og celle-celle interaktioner af in vivo tumorer er til dels efterlignes med denne model. De specifikke egenskaber og dermed de optimale vækstbetingelser, af 3D sfæroider, varierer meget mellem forskellige typer af kræftceller. Desuden kræver vurderingen af cellernes levedygtighed og død i 3D sfæroider metoder, der delvis adskiller sig fra dem, der anvendes til 2D-kulturer. Her beskriver vi flere protokoller til forberedelse af 3D sfæroider af kræftceller, og for at bruge sådanne kulturer til at vurdere cellernes levedygtighed og død i forbindelse med evaluering af effekten af anticancermedicin.

Introduction

Brugen af flercellede sfæide modeller i kræft biologi er flere årtier gamle1,2, men har fået betydelig momentum i de seneste år. I vid del, dette afspejler øget bevidsthed om, hvor stærkt fænotype kræftceller er afhængig af deres mikromiljø og specifikke vækstbetingelser. Mikromiljøet i solide tumorer er fundamentalt forskellig fra det i tilsvarende normale væv. Dette omfatter fysisk-kemiske forhold såsom pH, oxygen spændinger, samt interstitiel tryk, koncentrations gradienter af opløselige faktorer såsom næringsstoffer, affaldsprodukter, og udskilles signalering forbindelser (vækstfaktorer, cytokiner). Endvidere, det omfatter tilrettelæggelse af ekstracellulære matrix (ECM), celle-celle interaktioner og intercellulære signalering, og andre aspekter af den særlige tredimensionelle (3D) arkitektur af tumor3,4, 5,6. De specifikke mikromiljømæssige forhold, hvor kræftceller findes, påvirker i høj grad deres genekspression profil og funktionelle egenskaber, og det er klart, at sammenlignet med celler dyrket i 2D, Fænotypen af 3D sfæroider meget tættere efterligner af in vivo-tumorer7,8,9,10,11. 2D-modeller, selv om de beskæftiger hypoxi, sure pH, og høje lactat koncentrationer til at efterligne kendte aspekter af Tumorens mikromiljø, stadig undlader at indfange gradienter af fysisk-kemiske parametre, der opstår i tumorer, samt deres 3D tumor Arkitektur. På den anden side, dyremodeller er dyrt, langsom, og etisk problematisk, og generelt har også mangler i deres evne til at rekapitulere menneskelige tumor betingelser. Derfor er 3D sfæroider blevet anvendt som en mellemliggende kompleksitet model i undersøgelser af en bred vifte af egenskaber af de fleste solide kræftformer9,11,12,13, 14,15,16,17.

En almindeligt anvendt brug af 3D sfæroider er i screening analyser af anticancer terapi effekt9,18,19,20. Behandling reaktioner er særligt følsomme over for tumor mikromiljø, der afspejler både virkningen af den tortuøsitet, begrænset diffusion, høj interstitiel tryk, og sure miljømæssige pH på medicin levering, og virkningen af hypoxi og andre aspekter af mikromiljøet på celledød svar9,17. Fordi miljøet i 3D sfæroider i sagens natur udvikler alle disse egenskaber7,8,9,10,11, beskæftiger 3D cellekulturer kan væsentligt forbedre oversættelsen af resultater til in vivo-forhold, men giver mulighed for en effektiv og økonomisk overkommelig screening af nettovæksten i høj produktion. Men det store flertal af undersøgelser af lægemiddel respons af kræftceller er stadig udført under 2D betingelser. Dette afspejler sandsynligvis, at mens nogle analyser relativt let kan implementeres for 3D cellekulturer, mange, såsom levedygtighed analyser, Western blotting, og immunofluorescens analyse, er meget mere bekvemt gjort i 2D end i 3D.

Formålet med det nuværende arbejde er at give let genstand analyser og præcise protokoller for analyser af effekten af behandling med anti-cancer medicin på kræftcellernes levedygtighed og overlevelse i en 3D tumor efterligner indstilling. Konkret leverer og sammenligner vi tre forskellige metoder til sfæoide dannelse, efterfulgt af metoder til kvalitative og kvantitative analyser af vækst, levedygtighed og narkotika respons.

Protocol

1. dannelse af Sfæroider Klargøring af celle suspensioner til sfæide dannelseBemærk: forskellige cellelinjer har meget forskellige vedhæftningsegenskaber, og den mest velegnede sfæoide dannelses protokol skal fastlægges i hvert enkelt tilfælde. Vi har konstateret, at MCF-7 og bxpc-3 celler er velegnede til spontan sfæroide formation, mens MDA-MB-231, skbr-3, Panc-1 og miapaca kræver tilsætning af rekonstitueret kælder membran for at danne sfæroider. Kun MDA-MB-231 og BxPC-3-cel…

Representative Results

Sfæroide vækst analyser baseret på den sfæide formation protokol skematisk illustreret i figur 1A og figur 1B, blev brugt som udgangspunkt for analyse af virkningerne af anti-cancer Drug behandlinger i en 3D tumor efterligne indstilling. Den lethed, hvormed sfæroider dannes er cellelinje specifik, og nogle cellelinjer kræver tilskud med ringmekanismer for at danne sammenhængende sfæroider22. Konce…

Discussion

Brugen af 3D cancer celle sfæroider har vist sig at være et værdifuldt og alsidigt værktøj ikke kun for anticancer Drug screening, men også for at få mekanistisk indsigt i reguleringen af kræftcellernes død og levedygtighed under betingelser, der efterligner dem i tumoren mikromiljø. Dette er især afgørende, da tilgængelighed, cellulær optagelse, og intracellulære virkninger af kemoterapeutiske lægemidler er dybt påvirket af de fysisk-kemiske forhold i tumoren, herunder pH, oxygen spændinger, tortuøsit…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi er glade for Katrine Franklin Mark og Annette Bartels for fremragende teknisk assistance og for Asbjørn Nøhr-Nielsen for at udføre eksperimenterne i figur 1D. Dette arbejde blev finansieret af Einar Willumsen Foundation, Novo Nordisk Foundation, og Fondation Juchum (alle til SFP).

Materials

2-(4-amidinophenyl)-1H-indole-6-carboxamidine (DAPI) Invitrogen # C10595  For staining nuclei
5-Fluorouracil (5-FU) Sigma-Aldrich #F6627 Component in chemotherapeutic treatment
5-(N-ethyl-isopropyl) amiloride (EIPA) Life Technologies #E3111 Inhibitor of NHE1
Antibody against PARP and cPARP Cell signaling #9542 Used in western blotting
Antibody against Ki-67 Cell signaling #9449 Used for IHC
Antibody against p53 Cell Signaling  #2524  Used for IHC
Antibody against β-actin Sigma  A5441 Used in western blotting
Bactoagar BD Bioscience #214010 Used for agarose gel preparation
Benchmark protein ladder Invitrogen #10747-012 Used for SDS-PAGE
Bio-Rad DC Protein Assay kit Bio-Rad Laboratories #500-0113, #500-0114, #500-0115   Used for protein determination from lysates
Bürker chamber Marienfeld 610311 For cell counting 
BX63 epifluoresence microscope Olympus Used for fluorescent imaging
CellTiter-Glo 3D Cell Viability Assay Promega #G9681 Used for the cell viability assay
Cisplatin Sigma-Aldrich #P4394  Component in chemotherapeutic treatment
Corning Spheroid Microplate, 96 well, Black with clear round bottom,  Ultra-low attachment, With lid, Sterile Corning #4520 Used for growing spheroids with luminescence measurements as end point
Corning 96 well, clear round bottom,  Ultra-low attachment microplate, With lid, Sterile Corning #7007 Sufficient for spheroid growth without luminescence measurements as end point
Criterion TGX Precast Gels Bio-Rad 5671025 Used for SDS-PAGE
Doxorubicin Abcam #120629 Component in chemotherapeutic treatment
FLUOStar Optima Microplate reader BMG Labtech Used for recording luminescence 
Formaldehyde  VWR Chemicals  #9713.1000  Used for cell fixation
Geltrex LDEV-Free Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix Gibco #A1413202 Keep at 4 °C to prevent solidification. Referred to as rBM in the protocol.
Heat-inactivated FBS Sigma #F9665 Serum for growth media
ImageJ NIH Scientific Image analysis
Medim Uni-safe casette Medim Histotechnologie 10-0114 Used for storage of embedded spheroids
Mini protease inhibitor cocktail tablets Roche Diagnostics GmBH  # 11836153001 Used for lysis buffer preparation
MZ16 microscope Leica Used for light microscopic images
NuPAGE LDS 4x Sample Buffer  Invitrogen #NP0007 Used for western blotting
Pierce ECL Western blotting substrate Thermo scientific #32106 Used for western blotting
Ponceau S Sigma-Aldrich #P7170-1L Used for protein band staining
Prism 6.0 Graphpad Scientific graphing and statistical software
Propidium iodide (1mg/ml solution in water) Invitrogen  P3566 Light sensitive 
Sterile reservoirs, multichannel SPL lifesciences 21002 Used for seeding cells for spheroid formation
Superfrost Ultra-Plus Adhesion slide  Menzel-Gläser #J3800AMNZ Microscope glass slide used for embedding
Tamoxifen Sigma-Aldrich #T5648 Used as chemotherapeutic treatment
Trans-blot Turbo 0.2 µm nitrocellulose membranes Bio-Rad #170-4159 Used for western blotting
Tris/Glycine/SDS running buffer  Bio-Rad  #161 0732 Used for SDS-PAGE
Trypsin-EDTA solution Sigma #T4174  Cell dissociation enzyme

Referências

  1. Sutherland, R. M. Cell and environment interactions in tumor microregions: the multicell spheroid model. Science. 240 (4849), 177-184 (1988).
  2. Mueller-Klieser, W., Freyer, J. P., Sutherland, R. M. Influence of glucose and oxygen supply conditions on the oxygenation of multicellular spheroids. British Journal of Cancer. 53 (3), 345-353 (1986).
  3. Gaedtke, L., Thoenes, L., Culmsee, C., Mayer, B., Wagner, E. Proteomic analysis reveals differences in protein expression in spheroid versus monolayer cultures of low-passage colon carcinoma cells. Journal of Proteome Research. 6 (11), 4111-4118 (2007).
  4. Chen, J. L., et al. The genomic analysis of lactic acidosis and acidosis response in human cancers. PLoS Genetics. 4 (12), 1000293 (2008).
  5. Cukierman, E., Pankov, R., Stevens, D. R., Yamada, K. M. Taking cell-matrix adhesions to the third dimension. Science. 294 (5547), 1708-1712 (2001).
  6. Gudjonsson, T., Ronnov-Jessen, L., Villadsen, R., Bissell, M. J., Petersen, O. W. To create the correct microenvironment: three-dimensional heterotypic collagen assays for human breast epithelial morphogenesis and neoplasia. Methods. 30 (3), 247-255 (2003).
  7. Pampaloni, F., Reynaud, E. G., Stelzer, E. H. The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue. Nature Reviews in Molecular and Cell Biology. 8 (10), 839-845 (2007).
  8. Hirschhaeuser, F., et al. Multicellular tumor spheroids: an underestimated tool is catching up again. Journal of Biotechnology. 148 (1), 3-15 (2010).
  9. Jacobi, N., et al. Organotypic three-dimensional cancer cell cultures mirror drug responses in vivo: lessons learned from the inhibition of EGFR signaling. Oncotarget. 8 (64), 107423-107440 (2017).
  10. Rodriguez-Enriquez, S., et al. Energy metabolism transition in multi-cellular human tumor spheroids. Journal of Cell Physiology. 216 (1), 189-197 (2008).
  11. Kunz-Schughart, L. A. Multicellular tumor spheroids: intermediates between monolayer culture and in vivo tumor. Cell Biology International. 23 (3), 157-161 (1999).
  12. Andersen, A. P., et al. Roles of acid-extruding ion transporters in regulation of breast cancer cell growth in a 3-dimensional microenvironment. Molecular Cancer. 15 (1), 45 (2016).
  13. Swietach, P., Patiar, S., Supuran, C. T., Harris, A. L., Vaughan-Jones, R. D. The role of carbonic anhydrase 9 in regulating extracellular and intracellular ph in three-dimensional tumor cell growths. Journal of Biological Chemistry. 284 (30), 20299-20310 (2009).
  14. Walenta, S., Doetsch, J., Mueller-Klieser, W., Kunz-Schughart, L. A. Metabolic imaging in multicellular spheroids of oncogene-transfected fibroblasts. Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 48 (4), 509-522 (2000).
  15. Kunz-Schughart, L. A., Groebe, K., Mueller-Klieser, W. Three-dimensional cell culture induces novel proliferative and metabolic alterations associated with oncogenic transformation. International Journal of Cancer. 66 (4), 578-586 (1996).
  16. Feng, H., et al. Homogeneous pancreatic cancer spheroids mimic growth pattern of circulating tumor cell clusters and macrometastases: displaying heterogeneity and crater-like structure on inner layer. Journal of Cancer Research and Clinical Oncology. 143 (9), 1771-1786 (2017).
  17. Santini, M. T., Rainaldi, G., Indovina, P. L. Apoptosis, cell adhesion and the extracellular matrix in the three-dimensional growth of multicellular tumor spheroids. Critical Reviews in Oncology/Hematology. 36 (2-3), 75-87 (2000).
  18. Vinci, M., et al. Advances in establishment and analysis of three-dimensional tumor spheroid-based functional assays for target validation and drug evaluation. BMC Biology. 10, 29 (2012).
  19. 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).
  20. Wong, C., Vosburgh, E., Levine, A. J., Cong, L., Xu, E. Y. Human neuroendocrine tumor cell lines as a three-dimensional model for the study of human neuroendocrine tumor therapy. Journal of Visual Experiments. (66), e4218 (2012).
  21. Friedrich, J., et al. A reliable tool to determine cell viability in complex 3-d culture: the acid phosphatase assay. Journal of Biomolecular Screening. 12 (7), 925-937 (2007).
  22. Ivascu, A., Kubbies, M. Diversity of cell-mediated adhesions in breast cancer spheroids. International Journal of Oncology. 31 (6), 1403-1413 (2007).
  23. Crouch, S. P., Kozlowski, R., Slater, K. J., Fletcher, J. The use of ATP bioluminescence as a measure of cell proliferation and cytotoxicity. Journal of Immunological Methods. 160 (1), 81-88 (1993).
  24. Andersen, A. P., et al. The net acid extruders NHE1, NBCn1 and MCT4 promote mammary tumor growth through distinct but overlapping mechanisms. International Journal of Cancer. , (2018).
  25. Vaupel, P. Tumor microenvironmental physiology and its implications for radiation oncology. Seminars in Radiation Oncology. 14 (3), 198-206 (2004).
  26. Vaupel, P. W., Frinak, S., Bicher, H. I. Heterogeneous oxygen partial pressure and pH distribution in C3H mouse mammary adenocarcinoma. Pesquisa do Câncer. 41 (5), 2008-2013 (1981).
  27. Helmlinger, G., Yuan, F., Dellian, M., Jain, R. K. Interstitial pH and pO2 gradients in solid tumors in vivo: high-resolution measurements reveal a lack of correlation. Nature Medicine. 3 (2), 177-182 (1997).
  28. Zhang, X., Lin, Y., Gillies, R. J. Tumor pH and its measurement. Journal of Nuclear Medicine. 51 (8), 1167-1170 (2010).
  29. Gillies, R. J., Raghunand, N., Karczmar, G. S., Bhujwalla, Z. M. MRI of the tumor microenvironment. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 16 (4), 430-450 (2002).
  30. Vukovic, V., Tannock, I. F. Influence of low pH on cytotoxicity of paclitaxel, mitoxantrone and topotecan. British Journal of Cancer. 75 (8), 1167-1172 (1997).
  31. Song, C. W., Griffin, R., Park, H. J., Teicher, B. A. . Cancer Drug Resistance. , 21-42 (2006).
  32. Lotz, C., et al. Role of the tumor microenvironment in the activity and expression of the p-glycoprotein in human colon carcinoma cells. Oncology Reports. 17 (1), 239-244 (2007).
  33. Sant, S., Johnston, P. A. The production of 3D tumor spheroids for cancer drug discovery. Drug Discovery Today: Technologies. 23, 27-36 (2017).
  34. Stratmann, A. T., et al. Establishment of a human 3D lung cancer model based on a biological tissue matrix combined with a Boolean in silico model. Molecular Oncology. 8 (2), 351-365 (2014).
  35. Kuen, J., Darowski, D., Kluge, T., Majety, M. Pancreatic cancer cell/fibroblast co-culture induces M2 like macrophages that influence therapeutic response in a 3D model. PLoS One. 12 (7), 0182039 (2017).
  36. Bochet, L., et al. Adipocyte-derived fibroblasts promote tumor progression and contribute to the desmoplastic reaction in breast cancer. Pesquisa do Câncer. 73 (18), 5657-5668 (2013).
  37. Amann, A., et al. Development of a 3D angiogenesis model to study tumour – endothelial cell interactions and the effects of anti-angiogenic drugs. Scientific Reports. 7 (1), 2963 (2017).
  38. LaBonia, G. J., Ludwig, K. R., Mousseau, C. B., Hummon, A. B. iTRAQ Quantitative Proteomic Profiling and MALDI-MSI of Colon Cancer Spheroids Treated with Combination Chemotherapies in a 3D Printed Fluidic Device. Analytical Chemistry. 90 (2), 1423-1430 (2018).
  39. Hulikova, A., Vaughan-Jones, R. D., Swietach, P. Dual role of CO2/HCO3(-) formula buffer in the regulation of intracellular pH of three-dimensional tumor growths. Journal of Biological Chemistry. 286 (16), 13815-13826 (2011).
  40. Wallace, D. I., Guo, X. Properties of tumor spheroid growth exhibited by simple mathematical models. Frontiers in Oncology. 3, 51 (2013).
  41. Michel, T., et al. Mathematical modeling of the proliferation gradient in multicellular tumor spheroids. Journal of Theoretical Biology. 458, 133-147 (2018).
  42. Meijer, T. G., Naipal, K. A., Jager, A., van Gent, D. C. Ex vivo tumor culture systems for functional drug testing and therapy response prediction. Future Science OA. 3 (2), (2017).
check_url/pt/59714?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Rolver, M. G., Elingaard-Larsen, L. O., Pedersen, S. F. Assessing Cell Viability and Death in 3D Spheroid Cultures of Cancer Cells. J. Vis. Exp. (148), e59714, doi:10.3791/59714 (2019).

View Video