דוגמנות ההשפעות של לחץ המודינמי על תאים סרטניים במחזור באמצעות מזרק ומחט
Summary
כאן אנו מדגימים שיטה להחיל מתח גיסת נוזלים על תאים סרטניים בהשעיה כדי לדגמן את ההשפעות של לחץ המודינמי על תאים סרטניים במחזור.
Abstract
במהלך גרורות, תאים סרטניים מרקמות מוצקות, כולל אפיתליה, מקבלים גישה למחזור הלימפה וההמטוגני שם הם חשופים ללחץ מכני עקב זרימה המודינמית. אחד הלחצים הללו כי תאים סרטניים במחזור (CTCs) ניסיון הוא מתח גיסת נוזלים (FSS). בעוד תאים סרטניים עלולים לחוות רמות נמוכות של FSS בתוך הגידול עקב זרימה ביניים, CTCs נחשפים, ללא התקשרות מטריצה חוץ תאית, לרמות הרבה יותר גבוהות של FSS. מבחינה פיזיולוגית, FSS נע על פני 3-4 סדרי גודל, עם רמות נמוכות הקיימות בלימפטיקה (<1 דיין / ס"מ2) והרמות הגבוהות ביותר המוצגות בקצרה כאשר תאים עוברים דרך הלב וסביב שסתומי הלב (>500 dynes / cm2). ישנם כמה מודלים במבחנה שנועדו לדגמן טווחים שונים של לחץ גיזמה פיזיולוגית על פני מסגרות זמן שונות. מאמר זה מתאר מודל לחקור את ההשלכות של פולסים קצרים (אלפיות השנייה) של FSS ברמה גבוהה על ביולוגיה של תאים סרטניים באמצעות מזרק פשוט ומערכת מחט.
Introduction
גרורות, או התפשטות הסרטן מעבר לאתר הגידול הראשוני, הוא גורם מרכזי בבסיס התמותה מסרטן1. במהלך גרורות, תאים סרטניים לנצל את מערכת הדם ככביש כדי להפיץ לאתרים רחוקים בכל הגוף2,3. בעוד בדרך לאתרים אלה, תאים סרטניים במחזור (CTCs) קיימים בתוך microenvironment נוזל דינמי שלא כמו זה של הגידול העיקרי המקורי שלהם3,4,5. הוצע כי מיקרו-סביבה נוזלית זו היא אחד מחסומים רבים לגרורות4. יש הסכמה רחבה במושג של חוסר יעילות גרורתית, כלומר, שרוב CTCs הנכנסים למחזור או לגווע או לא ליצור מושבות גרורתיותפרודוקטיביות 6,7,8. עם זאת, מדוע גרורות אינו יעיל מנקודת המבט של CTC בודדים הוא פחות בטוח ונשאר תחום פעיל של חקירה. CTCs מנותקים מטריצה חוץ תאית, משוללים גורמי גדילה הישרדות מסיסים שעשויים להיות נוכחים בגידול העיקרי, ונחשפו למערכת החיסון ולכוחות המודינמיים באופן שונה בהרבה מאשר בגידול הראשי4. כל אחד מהגורמים הללו עשוי לתרום להישרדותם הלקויה של CTCs, אך תרומתם היחסית אינה ברורה. מאמר זה עוסק בשאלה כיצד כוחות המונמיים משפיעים על CTCs.
לימוד ההשפעות של כוחות המודינמיים על CTCs הוא די מאתגר. נכון לעכשיו, אין מערכות במבחנה מהונדסות שיכולות לשכפל את כל הדינמיקה spatiotemporal (לב נימים) ואת המאפיינים הרולוגיים של מערכת כלי הדם האנושית. יתר על כן, האופן שבו CTCs לחוות את מערכת הדם אינו ברור לחלוטין. ראיות ניסיוניות מצביעות על כך שרוב התאים הסרטניים אינם מסתובבים ברציפות כמו תאי דם. במקום זאת, בשל גודלם הגדול יחסית (קוטר 10-20 מיקרומטר), רוב CTCs להיות לכודים במיטות נימיות (6-8 מיקרומטר קוטר) עבור אורכים משתנים של זמן (s עד ימים) שבו הם עלולים למות, extravasate, או להיות עקורים למיטה נימי הבא8,9,10,11. עם זאת, יש כמה ראיות כי גודל CTC עשוי להיות הטרוגניים יותר ויו, וכי CTCs קטנים יותר ניתנים לזיהוי12. לכן, בהתבסס על מרחק ומהירות זרימת הדם, CTCs עשויים להסתובב בחופשיות רק למשך שניות בין תקופות אלה של מלכוד, אם כי תיאור כמותי של התנהגות זו חסר13.
יתר על כן, בהתאם למקום שבו CTCs להיכנס למחזור הדם, הם עשויים לעבור דרך מיטות נימים מרובים בריאה ואתרים היקפיים אחרים ודרך הלב הימני והשמאלי לפני שהגיע ליעד הסופי שלהם. לאורך הדרך, CTCs חשופים ללחצים המודינמיים שונים כולל לחץ גיסת נוזלים (FSS), כוחות דחיסה במהלך ההשתלטות שלהם במיקרו-סירקולציה, ופוטנציאל, כוחות המתיחה בנסיבות שבהן הם עשויים להפגין לויקוציטים דמויי גלגול לאורך קירות כלי הדם14. לכן, הן את היכולת לדגמן את זרימת הדם ואת ההבנה של התנהגות CTC להיות מודל מוגבל. בגלל אי הוודאות הזו, כל ממצא ממערכות מודל במבחנה צריך להיות מאומת באורגניזם בעל חוליות ניסיוני ובסופו של דבר, בחולי סרטן.
עם האזהרות הנ”ל, מאמר זה מדגים מודל פשוט יחסית להחיל FSS על תאים בהשעיה כדי לחקור את ההשפעות של FSS על CTCs שתואר לראשונה בשנת 201215. FSS נובע חיכוך של זרימת הדם על קיר כלי הדם, אשר מייצר שיפוע מהירות פרבולית בתנאים של זרימת למינאר בכלי גדול יותר. תאים חווים רמות גבוהות יותר של FSS ליד קירות כלי דם ורמות נמוכות יותר ליד מרכז כלי הדם. צמיגות נוזלים, קצב זרימה וממדים של הצינור שדרכו מתרחשת הזרימה משפיעים על FSS, כפי שתואר על ידי משוואת האגן-פויזאויל. זה חל על זרמי דם מתנהג כמו נוזלים ניוטוניים, אבל לא מחזיק עבור microcirculation. FSS פיזיולוגי נע על פני מספר סדרי גודל עם הרמות הנמוכות ביותר בלימפטיקה (<1דיין/ ס”מ 2 ) ואת הגבוה ביותר באזורים סביב שסתומי לב ולוחות טרשת עורקים (>500 דיין / ס”מ2)5. לחץ גיסת קיר ממוצע בעורקים הוא 10-70 צביעה / ס”מ2 ו 1-6 גוסן / ס”מ2 בוורידים16,17.
בלב, תאים עשויים להיות חשופים לזרימות סוערות סביב עלוני שסתום שבהם ברמה גבוהה מאוד, אבל FSS לטווח קצר מאוד עשוי להיות מנוסה18,19. למרות שתחום עיבוד ביולוגי חקר זה מכבר את ההשפעות של FSS על תאי יונקים בהשעיה, מידע זה עשוי להיות בעל ערך מוגבל להבנת ההשפעות של FSS על CTCs כפי שהוא מתמקד בדרך כלל ברמות נמוכות בהרבה של FSS מיושם על משך זמן ארוך20. כפי שתואר להלן, באמצעות מזרק ומחט, ניתן להחיל גבוה יחסית(עשרותעד אלפי דיסים / ס”מ 2 ) FSS למשך קצר יחסית (אלפיות שניה) להשעיית תא. מאז התיאור הראשוני של מודלזה 15, אחרים השתמשו בו כדי לחקור את ההשפעות של FSS על תאים סרטניים21,22,23. “פולסים” מרובים של FSS ניתן להחיל על השעיות תאים בפרק זמן קצר כדי להקל על ניתוחים ניסיוניים במורד הזרם. לדוגמה, מודל זה יכול לשמש כדי למדוד את היכולת של תאים להתנגד הרס מכני על ידי FSS על ידי מדידת הכדאיות התא כפונקציה של מספר הפולסים מוחל. לחלופין, ניתן לחקור את ההשפעות של חשיפה ל- FSS על הביולוגיה של תאים סרטניים על ידי איסוף תאים למגוון ניתוחים במורד הזרם. חשוב לציין, חלק מההשעיה של התא שמור כפקד סטטי כדי להשוות את ההשפעות של FSS מאלה שעשויות להיות משויכות לניתוק תאים וזמן המוחזק בהשעיה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מדגים את היישום של FSS לתאים סרטניים בהשעיה באמצעות מזרק ומחט. באמצעות מודל זה, תאים סרטניים הוכחו עמידים יותר לפולסים קצרים של FSS ברמה גבוהה ביחס לתאי אפיתל שאינם שעברו טרנספורמציה15,22,24. יתר על כן, חשיפה FSS באמצעות מודל זה גורמת לעלי?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פיתוח המודל שהודגם כאן נתמך על ידי מענק DOD W81XWH-12-1-0163, NIH מעניק R21 CA179981 ו- R21 CA196202, וקרן המחקר של סאטו גרורות.
Materials
| 0.25% Trypsin | Gibco | 25200-056 | |
| 14 mL round bottom tubes | Falcon – Corning | 352059 | |
| 30 G 1/2" Needle | BD | 305106 | |
| 5 mL syringe | BD | 309646 | |
| 96-well black bottom plate | Costar – Corning | 3915 | |
| Bioluminescence detector | AMI | AMI HTX | |
| BSA, Fraction V | Sigma | 10735086001 | |
| Cell Titer Blue | Promega | G8081 | |
| crystal violet | Sigma | C0775 | |
| D-luciferin | GoldBio | D-LUCK | |
| DMEM | Gibco | 11965-092 | |
| FBS | Atlanta Biologicals | S11150 | |
| PBS | Gibco | 10010023 | |
| Plate Reader | BioTek | Synergy HT | |
| Sodium Azide (NaN3) | Sigma | S2002 | |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-3005 |
Referências
- Dillekås, H., Rogers, M. S., Straume, O. Are 90% of deaths from cancer caused by metastases. Cancer medicine. 8 (12), 5574-5576 (2019).
- Hanahan, D., Weinberg, R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 144 (5), 646-674 (2011).
- Strilic, B., Offermanns, S. Intravascular survival and extravasation of tumor cells. Cancer Cell. 32 (3), 282-293 (2017).
- Labelle, M., Hynes, R. O. The initial hours of metastasis: the importance of cooperative host-tumor cell interactions during hematogenous dissemination. Cancer Discovery. 2 (12), 1091-1099 (2012).
- Krog, B. L., Henry, M. D. Biomechanics of the circulating tumor cell microenvironment. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1092, 209-233 (2018).
- Weiss, L. Metastatic inefficiency. Advances in Cancer Research. 54, 159-211 (1990).
- Zeidman, I., Mc, C. M., Coman, D. R. Factors affecting the number of tumor metastases; experiments with a transplantable mouse tumor. Pesquisa do Câncer. 10 (6), 357-359 (1950).
- Fidler, I. J. Metastasis: quantitative analysis of distribution and fate of tumor embolilabeled with 125 I-5-iodo-2′-deoxyuridine. Journal of the National Cancer Institute. 45 (4), 773-782 (1970).
- Cameron, M. D., et al. Temporal progression of metastasis in lung: cell survival, dormancy, and location dependence of metastatic inefficiency. Pesquisa do Câncer. 60 (9), 2541-2546 (2000).
- Luzzi, K. J., et al. Multistep nature of metastatic inefficiency: dormancy of solitary cells after successful extravasation and limited survival of early micrometastases. American Journal of Pathology. 153 (3), 865-873 (1998).
- Kienast, Y., et al. Real-time imaging reveals the single steps of brain metastasis formation. Nature Medicine. 16 (1), 116-122 (2010).
- Takagi, H., et al. Analysis of the circulating tumor cell capture ability of a slit filter-based method in comparison to a selection-free method in multiple cancer types. International journal of molecular sciences. 21 (23), 9031 (2020).
- Scott, J., Kuhn, P., Anderson, A. R. Unifying metastasis–integrating intravasation, circulation and end-organ colonization. Nature Reviews Cancer. 12 (7), 445-446 (2012).
- Wirtz, D., Konstantopoulos, K., Searson, P. C. The physics of cancer: the role of physical interactions and mechanical forces in metastasis. Nature Reviews Cancer. 11 (7), 512-522 (2011).
- Barnes, J. M., Nauseef, J. T., Henry, M. D. Resistance to fluid shear stress is a conserved biophysical property of malignant cells. PLoS One. 7 (12), 50973 (2012).
- Malek, A. M., Alper, S. L., Izumo, S. Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosis. JAMA. 282 (21), 2035-2042 (1999).
- Brass, L. F., Diamond, S. L. Transport physics and biorheology in the setting of hemostasis and thrombosis. Journal of Thrombosis and Haemostasis. 14 (5), 906-917 (2016).
- Stein, P. D., Sabbah, H. N. Turbulent blood flow in the ascending aorta of humans with normal and diseased aortic valves. Circulation Research. 39 (1), 58-65 (1976).
- Strony, J., Beaudoin, A., Brands, D., Adelman, B. Analysis of shear stress and hemodynamic factors in a model of coronary artery stenosis and thrombosis. The American Journal of Physiology. 265 (5), 1787-1796 (1993).
- Chalmers, J. J. Mixing, aeration and cell damage, 30+ years later: what we learned, how it affected the cell culture industry and what we would like to know more about. Current Opinion in Chemical Engineering. 10, 94-102 (2015).
- Vennin, C., et al. Trsient tissue priming via ROCK inhibition uncouples pancreatic cancer progression, sensitivity to chemotherapy, and metastasis. Science Translational Medicine. 9 (384), 126 (2017).
- Mitchell, M. J., et al. Lamin A/C deficiency reduces circulating tumor cell resistance to fluid shear stress. American Journal of Physiology: Cell Physiology. 309 (11), 736-746 (2015).
- Ortiz-Otero, N., et al. Cancer associated fibroblasts confer shear resistance to circulating tumor cells during prostate cancer metastatic progression. Oncotarget. 11 (12), 1037-1050 (2020).
- Moose, D. L., et al. Cancer cells resist mechanical destruction in circulation via RhoA/actomyosin-dependent mechano-adaptation. Cell Reports. 30 (11), 3864-3874 (2020).
- Miller, B. E., Miller, F. R., Wilburn, D. J., Heppner, G. H. Analysis of tumour cell composition in tumours composed of paired mixtures of mammary tumour cell lines. British Journal of Cancer. 56 (5), 561-569 (1987).
- Aslakson, C. J., Miller, F. R. Selective events in the metastatic process defined by analysis of the sequential dissemination of subpopulations of a mouse mammary tumor. Pesquisa do Câncer. 52 (6), 1399 (1992).
- Chivukula, V. K., Krog, B. L., Nauseef, J. T., Henry, M. D., Vigmostad, S. C. Alterations in cancer cell mechanical properties after fluid shear stress exposure: a micropipette aspiration study. Cell Health Cytoskeleton. 7, 25-35 (2015).
- Gensbittel, V., et al. Mechanical adaptability of tumor cells in metastasis. Developmental Cell. 56 (2), 164-179 (2021).
- O’Leary, B. R., et al. Pharmacological ascorbate inhibits pancreatic cancer metastases via a peroxide-mediated mechanism. Scientific Reports. 10 (1), 17649 (2020).
- Williams, A. R., Hughes, D. E., Nyborg, W. L. Hemolysis near a transversely oscillating wire. Science. 169 (3948), 871-873 (1970).
- Rooney, J. A. Hemolysis near an ultrasonically pulsating gas bubble. Science. 169 (3948), 869-871 (1970).
- Connolly, S., McGourty, K., Newport, D. The in vitro inertial positions and viability of cells in suspension under different in vivo flow conditions. Scientific Reports. 10 (1), 1711 (2020).
- Brooks, D. E. The biorheology of tumor cells. Biorheology. 21 (1-2), 85-91 (1984).
- Triantafillu, U. L., Park, S., Klaassen, N. L., Raddatz, A. D., Kim, Y. Fluid shear stress induces cancer stem cell-like phenotype in MCF7 breast cancer cell line without inducing epithelial to mesenchymal transition. Internation Journal of Oncology. 50 (3), 993-1001 (2017).
- Fan, R., et al. Circulatory shear flow alters the viability and proliferation of circulating colon cancer cells. Scientific Reports. 6, 27073 (2016).
- Fu, A., et al. High expression of MnSOD promotes survival of circulating breast cancer cells and increases their resistance to doxorubicin. Oncotarget. 7 (31), 50239-50257 (2016).
- Li, S., et al. Shear stress promotes anoikis resistance of cancer cells via caveolin-1-dependent extrinsic and intrinsic apoptotic pathways. Journal of Cellular Physiology. 234 (4), 3730-3743 (2019).
- Xin, Y., et al. Mechanics and actomyosin-dependent survival/chemoresistance of suspended tumor cells in shear flow. Biophysical Journal. 116 (10), 1803-1814 (2019).
