קיימות משופרת עבור תרבויות הידרוג'ל 3D Ex vivo של Xenografts נגזר המטופל בפלטפורמה מיקרופלויד perfused
Summary
פרוטוקול זה מדגים שיטות המאפשרות הרחבה בתרבות המבחנה של xenografts נגזר המטופל (PDX). צעד אחד משפר את הכדאיות הכוללת של תרבויות אשכול רב-תאי בהידרוג’לים תלת-מימדיים, באמצעות הסרה פשוטה של תאים בודדים שאינם ברי קיימא. שלב משני מדגים שיטות עבודה מומלצות לתרבות PDX בפלטפורמה מיקרו-נוזלית מנווטה.
Abstract
קסנוגרפטים נגזר החולה (PDX), שנוצר כאשר רקמת הגידול המטופל נותח הוא חרט ישירות לתוך עכברים חיסוניים, להישאר יציב ביולוגית, ובכך שמירה על מולקולרי, גנטי, ותכונות היסטולוגיות, כמו גם הטרוגניות של הגידול המקורי. עם זאת, שימוש במודלים אלה כדי לבצע מספר רב של ניסויים, כולל סינון סמים, הוא אסור הן מבחינת עלות וזמן. מערכות תרבות תלת מימדיות (תלת-ממדיות) נתפסות באופן נרחב כפלטפורמות שבהן תאים סרטניים שומרים על שלמותם הביולוגית באמצעות אינטראקציות ביוכימיות, מורפולוגיה וארכיטקטורה. לצוות שלנו ניסיון רב בהתאגיד תאי PDX במבחנה באמצעות מטריצות תלת-מימד המורכבות מחומצה היאלורונית (HA). על מנת להפריד את תאי סטרומה פיברובלסט העכבר הקשורים PDXs, אנו משתמשים בתרבות סיבוב, שבו תאים סטרומה לדבוק על פני השטח של צלחות שטופלו בתרבות רקמות בעוד תאים סרטניים PDX נותק לצוף ולשייך עצמי לתוך אשכולות רב תאיים. גם צפים supernatant הם יחיד, לעתים קרובות תאים מתים, אשר מציגים אתגר באיסוף אשכולות PDX קיימא עבור אנקלוסציה במורד הזרם לתוך הידרוג’לים עבור תרבות תא 3D. על מנת להפריד תאים בודדים אלה מאשכולות תאים חיים, השתמשנו צנטריפוגציה הדרגתית צעד צפיפות. הפרוטוקול המתואר כאן מאפשר דלדול של תאים בודדים שאינם בר קיימא מהאוכלוסייה הבריאה של אשכולות תאים שישמשו לניסויים נוספים במבחנה. במחקרים שלנו, אנו משלבים את תרבויות 3D צלחות microfluidic המאפשרים עירוי מדיה במהלך התרבות. לאחר הערכת התרבויות הנובעות מכך באמצעות התבססות על הכדאיות המבוססת על תמונה פלורסנטית של תאים מטוהרים לעומת תאים לא מטוהרים, התוצאות שלנו מראות כי צעד הפרדה נוסף זה הפחית באופן משמעותי את מספר התאים שאינם מעשיים מהתרבויות שלנו.
Introduction
במהלך העשור האחרון, התחום של מחקר סרטן הפגין התלהבות מחודשת עבור xenografts נגזר החולה (PDXs) ככלי להערכת הסתמכות מסלול תא סרטניורגישות לסמים 1. מודלי PDX הנפוצים ביותר מבוססים על ידי השתלה תת עורית או אורתוטופית של תאים סרטניים אנושיים – שבר גידול, מקבץ של תאים נגזרים גידול תותק, או מדגם של תאים סרטניים מבודדים במחזור (CTCs)- לתוך מארח מכרסם. אם הגידול “לקחת” הוא מוצלח, תאי xenograft יהיה להתרבות, כלי דם, ואחרת אינטראקציה עם רקמת המארח כדי ליצור גידול, אשר ניתן לקצור בגודל אופטימלי, מחולק, מושתל מחדש לתוך מארחים אחרים. בין היתרונות הרבים שלהם כמערכת מודל, PDXs בדרך כלל לשמור על חלק ניכר של הטרוגניות של אוכלוסיית תאי הגידול הילידים ולאפשר את ההערכה של מסלולים ספציפיים לבניאדם ותגובות תא 2,,3. בהקשר vivo מאפשר אינטראקציה גידול עם כלי דם סטרומה סמוכים אחרים ומאפייני רקמות recapitulates כגון דינמיקת דיפוזיה סמים, מתח חמצן, מטריצה חוץ תאית השפעה כי ביולוגית ומכאנית להשפיע על התקדמות הגידול. היבט שלילי של PDXs הוא ההסתמכות שלהם על מארח מכרסמים, הן להרחבת הגידול ובסופו של דבר לבדיקת השערה. מכיוון PDXs רבים לא יכול להסתגל לתרבות דו מימדית מסורתית (2D) על פוליסטירן תרבות רקמות מבלי לאבד רבים מהמאפיינים הרצויים שלהם, יש כבר קרקע ביניים מינימלית עבור חוקרים בין זה מבוקר יחסית בשיטת המבחנה, ואת העלייה המשמעותית בהוצאות, מתקנים, ודרישות זמן לשימוש vivo PDX.
תיארנו מספר מודלים במבחנה המיישמים תרבות תא 3D בתוך מטריצה תומכת, ולאחרונה הרחיבו את העבודה כדי להדגים את תרבות vivo לשעבר של סרטן הערמונית מרובים (PCa)נגזר PDXs, הן לבד והן בתרבות שיתופית עם פיברובלסטים נגזר מחעצם 4,5. מטריצות הידרוג’ל מבוססות חומצה היאלורונית (HA) מספקות תמיכה הניתנת להתאמה אישית ורלוונטית ביולוגית לשני סוגי התאים, עם שליטה שנייה על מאפייני הידרוג’ל ובהירות אופטית להדמיה דרך עומק הידרוג’ל6.
רקמות גידול PDX בוגרות מהוות תערובת משתנה של תאים סרטניים אנושיים הטרוגניים סטרומה העכבר (פיברובלסטים, תאים אנדותל, וכו ‘). כדי ללמוד את סוג התא תרומות ספציפיות להתקדמות הגידול במבחנה, זה יכול להיות יתרון לנתק גידולים, להפריד את אוכלוסיות התא, ובאופן ניסיוני לשלב אותם באופן מאורגן לנתח מסלולים של תקשורת בין תאית. אוכלוסיות תאים מעורבים בתוך עיכול רקמות יש תאימות דיפרנציאלית עם תנאי תרבות ספציפיים. לדוגמה, הכדאיות פיברובלסט הקשורים לגידול מחייבת דבקות פני השטח או מטריצות תלת-מידור פונקציונליות עם ליגנדים אינטגריים, בעוד תאי PDX נגזר אפיתל אין בדרך כלל דרישות אלה, במקום להעדיף אינטראקציות תא. הבדלים אלה ניתן לנצל כדי להשיג הפרדה יעילה של תאי PDX מתאי סטרומה עכבר מזהמים. תרבות סיבוב של עיכול רקמות מאפשרת דבקות תא סטרומה על פני השטח של תרבות הרקמה בעוד הדבקות תא כונן תאי PDX מרחפים מעל פני השטח של התרבות מסתובבת כדי ליצור אשכולות רב-תאיים supernatant ב 24-48 שעות. המאפיינים הספציפיים של אשכולות אלה משתנים בהתאם ל-PDX (לדוגמה, אשכולות גדולים, הדוקים, כדוריים מאוד או אגרגטים קטנים ורופפים יותר הדומים לאגמים של ענבים), אך הם בדרך כלל בגדלים רלוונטיים ביולוגית (קוטר 50-250 μm), מספיקים להערכת אינטראקציות תאיות המסתמכות על אנשי קשר בין-תאיים.
אחזור גידול ועיבוד באופן בלתי נמנע גורמת במידה מסוימת של מוות בתאים משניים, בין אם בשל נזק לטווח קצר של שיבוש מכני/אנזימטי, או אי-תאימות לטווח ארוך של תת-אוכלוסיות בתנאי התרבות הנבחרים. למרות התועלת של תרבות סיבוב כהפרדה בתפזורת ראשונית, תאים מתים או גוססים מועברים באופן בלתי נמנע עם אשכולות PDX יכול להשפיע על התרבות שנוצרה. תאים מתים אלה הם לעתים קרובות תאי PDX בודדים שלא שולבו באשכול, פיברובלסטים סטרומה עכבר שלא יכול לשרוד בתנאי תרבות נבחרים, או תאים אנדותל שביר במיוחד. תאים גוססים כאלה יכולים להשפיע על תוצאות ניסיוניות של “ניצולים” ויכולים להשפיע באופן משמעותי על כימות, למשל, באמצעות בדיקות ההקרנה מבוססות התדמית של פלורסנט. כדי לשפר את הבחירה של תאי PDX חיים משיטה זו, התאמנו שיטות צנטריפוגציה עם שלבי צפיפות כדי להסיר בקלות תאים מתים/ גוססים בודדים מתערובות PDX ולשמור בעיקר אשכולות רב-תאיים חיים.
כדי לשפר את המחקר של אשכולות נגזר PDX תוצאות בתרבות 3D, השתמשנו בפלטפורמת תרבות פרייז’יה מבוססת מיקרו-נוזלים, OrganoPlate (איור 1), שהיא פלטפורמת איבר-על-שבב בתפוקה גבוהה המאפשרת תרבות בו-זמנית של עד 96 תרבויות בודדות, תלת-מית-מיוד, על בסיס צלחת מיקרוטיטר 384 באר(איור 1A)7,,8. בצלחת מיקרו-נוזלת דו-מסלולית, שבב רקמה יחיד מחובר באמצעות שני ערוצים מיקרופלוידיק(איור 1B,ערוץ ג’ל: אדום, ערוץ זלב: כחול) המשתרעים על פני ארבע בארות ברציפות. שני הערוצים המיקרו-נוזלים מופרדים על ידי רכס פלסטיק קצר הנקרא Phaseguide המונע גלישה של ערוץ אחד לתוך ערוץ השכן הסמוך לו, ובו זמנית מאפשר ממשק ללא קרום בין תכולת הג’ל לערוץהזבר 9. מכיוון שתחתית הלוח המיקרוסקופי מורכבת מזכוכית ברמת מיקרוסקופ, ניתן לצפות בתרבויות בחלון התצפית דרך תחתית הצלחת עם מיקרוסקופ סטנדרטי או אוטומטי. התזתה מבוססת בצלחת microfluidic עם נדנדה לתכנות, באמצעות כוח המשיכה כדי להניע את המדיה דרך הערוצים microfluidic, בין בארות מאגר(איור 1C). זרימת העירוי-לחקות באופן הדוק יותר recapitulates microenvironment הגידול מאשר תרבות סטטית, המאפשר התאגדות של מתח גיזר והפצה משופרת של גזים וחומרים מזינים. היתרונות של שמירה על תרבות תאים סרטניים מנוון בצלחת microfluidic תוארו בעבר כתרביות סרטן השד חדורים הפגינו קיימות אופטימלית לעומת תרבות 3D סטטי של אותם תאים7.
הדו”ח הנוכחי מתאר שיטת צנטריפוגציה הדרגתית מותאמת של צפיפות לבידוד אשכולות PDX רב-תאיים חיים ומדגים את כלי הפעולה שלה בהקמת תרבויות PDX תלת-מימדיות בתוך לוחות מיקרו-נוזלים חד-תכליתיים. מכיוון שמספר גדל והולך של מעבדות מחקר מחפשות שיטות להקל על השימוש ב-PDX, אנו צופים כי הפרוטוקולים המוצגים כאן יהיו של תועלת מיידית.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן אנו מתארים שיטה לעיבוד ולתחכות תאים סרטניים הנגזרים מ-PDX בתפוקה גבוהה, מערכת תרבות תלת-מית-מיומת. בעוד פרוטוקול זה מנצל רקמת PCa PDX, זה יעיל באותה מידה עבור גידולים אחרים נגזר אפיתל. מאפייני הגידול משתנים בין קווי PDX בודדים גם בתוך אותה רקמה של מקור (ערמונית, שד, וכו ‘). קווי PDX מסוימים PCa הם פי…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות המכון הלאומי לסרטן SBIR שלב I (HHSN26120700015C) ו P01CA098912.
Materials
| 1N NaOH | any suitable tissue culture grade | ||
| 60 mm round tissue culture dishes | any suitable | ||
| 6-well tissue culture plates | any suitable | ||
| 70 µm cell strainers | Corning | 431751 | or equivalent |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810R with suitable rotor and buckets for 15/50 mL conical centrifuge tubes | or equivalent |
| Density gradient centrifugation solution | Millipore Sigma | P1644 | Percoll |
| Dimethylsulfoxide | any suitable tissue culture grade | ||
| Dissociation enzyme solution | StemCell Technologies | 07921 | ACCUMAX |
| DMEM-F12 | ThermoFisher Scientific | 11039021 | or equivalent |
| Forceps | any suitable | ||
| HA hydrogel kit | ESI BIO | GS311 | HyStem (Hyaluronic acid-SH and PEGDA) |
| Hanks Balanced Salt Solution | Lonza | 10-527F | or equivalent |
| Heat-inactivated fetal bovine serum | Atlanta Biologicals | S11150 | |
| Hemocytometer | Fisher Scientific | 02-671-51B Hausser BrightLine | or equivalent |
| Hoechst 33342 | ThermoFisher Scientific | H1398 | or equivalent |
| Image processing software | Oxford Instruments | Imaris 9.3 | or equivalent |
| LIVE/DEAD Cell Viability/Cytotoxicity Kit (Calcein-AM/Ethidium Homodimer-1) | ThermoFisher Scientific | L3224 | or equivalent |
| Microfluidic culture plate | Mimetas | 9603-400-B | 2-lane OrganoPlate |
| Microscope | Nikon | A1R | or equivalent |
| Multichannel pipette | Eppendorf | 3125000036 | or equivalent |
| PDX-derived tumor tissue | obtained under IRB approval for human tissue and IACUC approval for animal host | ||
| Penicillin-streptomycin | ThermoFisher Scientific | 15140-122 | or equivalent |
| Perfusion rocker | Mimetas | OrganoPlate Perfusion Rocker Mini | |
| pH strips (pH 5-9) | any suitable | ||
| Phosphate-buffered saline solution | Lonza | 17-516F | or equivalent |
| Razor blades | any suitable | ||
| Rotating xy-shaker | VWR | Advanced 3500 Orbital Shaker | or equivalent |
| Scalpel handle | any suitable | ||
| Single channel repeating pipette | Eppendorf | 22260201 | |
| Sterile, 15mL conical centrifuge tubes | any suitable | ||
| Sterile, 50mL conical centrifuge tubes | any suitable |
Referências
- Jung, J., Seol, H. S., Chang, S. The Generation and Application of Patient-Derived Xenograft Model for Cancer Research. Cancer Research and Treatment: Official Journal of Korean Cancer Association. 50 (1), 1-10 (2018).
- Malaney, P., Nicosia, S. V., Dave, V. One mouse, one patient paradigm: New avatars of personalized cancer therapy. Cancer Letters. 344 (1), 1-12 (2014).
- Meehan, T. F., et al. PDX-MI: Minimal Information for Patient-Derived Tumor Xenograft Models. Pesquisa do Câncer. 77 (21), 62-66 (2017).
- Fong, E. L. S., et al. Hydrogel-Based 3D Model of Patient-Derived Prostate Xenograft Tumors Suitable for Drug Screening. Molecular Pharmaceutics. 11 (7), 2040-2050 (2014).
- Fong, E. L. S., et al. A 3D in vitro model of patient-derived prostate cancer xenograft for controlled interrogation of in vivo tumor-stromal interactions. Biomaterials. 77, 164-172 (2016).
- Engel, B. J., et al. Hyaluronic Acid-Based Hydrogel Formulations Suitable for Automated 3D High Throughput Drug Screening of Cancer-Stromal Cell Cocultures. Advanced Healthcare Materials. 4 (11), 1664-1674 (2015).
- Lanz, H. L., et al. Therapy response testing of breast cancer in a 3D high-throughput perfused microfluidic platform. BMC Cancer. 17 (1), 709 (2017).
- Wevers, N. R., et al. High-throughput compound evaluation on 3D networks of neurons and glia in a microfluidic platform. Scientific Reports. 6, 38856 (2016).
- Vulto, P., et al. Phaseguides: a paradigm shift in microfluidic priming and emptying. Lab on a Chip. 11 (9), 1596-1602 (2011).
- Patru, C., et al. CD133, CD15/SSEA-1, CD34 or side populations do not resume tumor-initiating properties of long-term cultured cancer stem cells from human malignant glio-neuronal tumors. BMC Cancer. 10, 66 (2010).
- Harma, V., et al. A comprehensive panel of three-dimensional models for studies of prostate cancer growth, invasion and drug responses. PLoS One. 5 (5), 10431 (2010).
