Strategi för biobankning av äggstockscancerorganoider: Att ta itu med den interkliniska heterogeniteten över histologiska subtyper och sjukdomsstadier
Summary
Detta protokoll erbjuder ett systematiskt ramverk för etablering av äggstockscancerorganoider från olika sjukdomsstadier och tar itu med utmaningarna med patientspecifik variabilitet för att öka utbytet och möjliggöra robust långsiktig expansion för efterföljande applikationer. Den innehåller detaljerade steg för vävnadsbearbetning, sådd, justering av mediekrav och immunofluorescensfärgning.
Abstract
Även om inrättandet av en biobank för äggstockscancer från patienthärledda organoider tillsammans med deras kliniska bakgrundsinformation lovar framsteg inom forskning och patientvård, är standardisering fortfarande en utmaning på grund av heterogeniteten hos denna dödliga malignitet, i kombination med den inneboende komplexiteten i organoidteknologin. Detta anpassningsbara protokoll ger ett systematiskt ramverk för att realisera den fulla potentialen hos äggstockscancerorganoider med hänsyn till en patientspecifik variabilitet av progenitorer. Genom att implementera ett strukturerat experimentellt arbetsflöde för att välja optimala odlingsförhållanden och såddmetoder, med parallell testning av direkt 3D-sådd kontra en 2D/3D-väg, erhåller vi i de flesta fall robusta långsiktiga expanderande linjer som är lämpliga för ett brett spektrum av nedströmsapplikationer.
Protokollet har testats och visat sig vara effektivt i ett stort antal fall (N = 120) av mycket heterogent utgångsmaterial, inklusive höggradig och låggradig äggstockscancer och sjukdomsstadier med primär debulking, återkommande sjukdom och post-neoadjuvanta kirurgiska prover. Inom en exogen signalmiljö med lågt Wnt och hög BMP observerade vi att progenitorer var olika mottagliga för aktivering av Heregulin 1 ß (HERß-1)-vägen, där HERß-1 främjar organoidbildning hos vissa medan den hämmar den hos andra. För en delmängd av patientens prover kräver optimal organoidbildning och långsiktig tillväxt tillsats av fibroblasttillväxtfaktor 10 och R-Spondin 1 till mediet.
Vidare belyser vi de kritiska stegen för vävnadsnedbrytning och progenitorisolering och pekar på exempel där kortvarig odling i 2D på plast är fördelaktigt för efterföljande organoidbildning i Basement Membrane Extract typ 2-matrisen. Sammantaget kräver optimal biobankning systematisk testning av alla huvudförhållanden parallellt för att identifiera en lämplig tillväxtmiljö för enskilda linjer. Protokollet beskriver också hanteringsproceduren för effektiv inbäddning, snittning och färgning för att få högupplösta bilder av organoider, vilket krävs för omfattande fenotypning.
Introduction
Den kliniska behandlingen av patienter med epitelial äggstockscancer är fortfarande utmanande på grund av dess heterogena kliniska presentation i avancerade stadier och höga återfallsfrekvenser1. För att förbättra vår förståelse av äggstockscancerns utveckling och biologiska beteende krävs forskningsmetoder som tar hänsyn till den patientspecifika variabiliteten under sjukdomsförloppet, behandlingssvar och histopatologiska såväl som molekylära egenskaper2.
Biobanking, som kännetecknas av systematisk insamling och långtidsbevarande av tumörprover från äggstockscancerpatienter tillsammans med deras kliniska information, erbjuder bevarande av en stor patientkohort i olika sjukdomsstadier, inklusive tumörprover från primära debulkingoperationer, efter neoadjuvant kemoterapi och från återkommande sjukdom. Det har en värdefull potential för att främja cancerforskning och fungerar som en resurs för lovande prognostiska biomarkörer och terapeutiska mål3. Konventionella biobanksmetoder, såsom formalinfixering och frysning, är dock inte mottagliga för att utföra funktionella studier på de ursprungliga tumörproverna på grund av förlusten av livsduglighet och störningen av den ursprungliga tredimensionella vävnadsarkitekturen 4,5.
Studier av molekylära mekanismer, inom onkologi och därefter, är i hög grad beroende av användningen av lämpliga experimentella modeller som troget återspeglar sjukdomens biologi och bibehåller in vitro-egenskaper hos den vävnad som observerats in vivo. Organoider som härrör från patienter, baserade på bevarandet av förnyelsepotentialen, reproducerar epitelets ursprungliga struktur och funktion i laboratoriet och möjliggör testning i ett patientspecifikt sammanhang. Därför har de dykt upp som mycket lovande verktyg för cancerforskning och personlig medicin, vilket överbryggar klyftan mellan klinisk mångfald och laboratorieforskning 6,7,8,9. Skräddarsydda terapeutiska strategier baserade på individuella läkemedelssvar från organoidlinjer och testning av den funktionella relevansen av molekylära profiler, kan potentiellt tillämpas direkt på patientvård10,11. Möjligheten till långsiktig odling inklusive patientspecifika egenskaper och insamling av relevanta prospektiva kliniska data över tid är mycket lovande för att identifiera nya prognostiska och prediktiva faktorer som är involverade i sjukdomsprogression och resistensmekanismer 3,9.
Att bygga en biobank som inkluderar organoider från olika tumörprover kräver dock en kombination av strikt efterlevnad av komplexa metoder och upprättande av protokoll för enkelt underhåll12. Processstandardisering säkerställer att biobanken kan etableras och underhållas effektivt av utbildad personal även vid hög omsättning, samtidigt som de högsta kvalitetsstandarderna följs13. Flera studier har rapporterat framgångsrik generering av stabila organoidlinjer för äggstockscancer som motsvarar den ursprungliga tumörens mutations- och fenotypiska profil med varierande effektivitet. Rutinmässig biobankning är dock fortfarande en utmaning i praktiken, särskilt för långsiktig stabil tillväxt av linjer, vilket är en förutsättning för storskalig expansion eller framgångsrik genomisk redigering.
I synnerhet är frågan om expanderbarhet fortfarande vagt definierad i fält eftersom organoider som uppvisar långsam och begränsad tillväxtpotential ibland räknas som etablerade linjer. Som ursprungligen visades av Hoffmann et al., en studie vars huvudsakliga fynd låg till grund för detta vidareutvecklade protokoll, kräver optimal hantering av äggstockscancervävnad en unik strategi för att tillgodose heterogenitet14. Fenotypisk karakterisering av organoiderna erhållna med denna metod och nära likhet med modertumörvävnad bekräftades genom panel-DNA-sekvensering och transkriptomikanalys av mogna kulturer (4-10 månaders odling) som visade stabiliteten hos modellen 8,9,12,14.
Till skillnad från den parakrina miljön som reglerar homeostasen i de friska äggledarna, är epitelskiktet, som sannolikt ger höggradig serös äggstockscancer (HGSOC), cancerregenereringspotential och organoidbildningskapacitet, mindre beroende av exogent Wnt-tillskott. Dessutom visade sig aktiv BMP-signalering (Bone Morphogenetic Protein), kännetecknad av frånvaron av Noggin i organoidmedium, vara fördelaktig för etablering av långsiktiga kulturer från äggstockscancer fasta vävnadsavlagringar14,15. Under systematisk biobankning av fasta avlagringar av äggstockscancer har vi bekräftat dessa fynd och satt upp pipelinen, med detaljer som beskrivs i detta protokoll som säkerställer en hållbar långsiktig expansion i de flesta fall. Vi finner att parallell testning av olika mediesammansättningar och såddmodaliteter när man arbetar med primära isolat är avgörande för att förbättra etableringen av långsiktigt stabila organoidlinjer och för att öka utbytet, vilket möjliggör robust förökning och expansion till flerbrunnsformat som krävs för nedströmsexperiment16.
Dessutom är renheten och kvaliteten på de prover som samlas in under operationen av avgörande betydelse för den translationella potentialen hos äggstockscancerorganoider inom grundforskning och molekylär diagnostik. Komplexiteten i den kliniska presentationen av HGSOC kräver ett nära samarbete mellan kirurger, onkologer och forskare i laboratoriet för att säkerställa att relevant material identifieras korrekt, transportförhållanden hålls konstanta och organoidlinjer genereras med hög effektivitet som representerar de viktigaste egenskaperna hos sjukdomen hos varje patient. Detta protokoll ger ett standardiserat men anpassningsbart ramverk för att fånga den fulla potentialen hos äggstockscancerorganoider, med tanke på den heterogenitet som kännetecknar äggstockscancer16,17. Detta protokoll möjliggör tillförlitlig biobankning av det breda spektrumet av klinisk presentation av äggstockscancer, inklusive olika histologiska typer (höggradig och låggradig äggstockscancer, LGSOC), olika insättningar från samma patienter som uppvisar skillnader i stamhetsreglering, vävnader från operationer i postneoadjuvant miljö, biopsimaterial och prover från operationer i den återkommande fasen av sjukdomsprogression.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det utformade protokollet adresserar tidigare utmaningar med organoidbiobankning av äggstockscancer med avseende på organoidbildning och långsiktig passagepotential och säkerställer generering av fullt expanderbara linjer från majoriteten av solida tumöravlagringar. Den kirurgiska insamlingsprocessen av tumörprover som ska användas för organoidgenerering påverkar avsevärt avkastningen och expansionspotentialen. Tumörvävnadsprover kan erhållas under olika procedurer, inklusive multivisceral kirurgi, diagnos…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Studien finansieras av det tyska cancerforskningscentret DKTK, partnersite Munich, ett partnerskap mellan DKFZ och Universitetssjukhuset LMU München. Studien stöds också av det tyska cancerbiståndet (#70113426 och #70113433). Paraffininbäddning av vävnad och organoider har utförts vid Core facility of the Institute of Anatomy, Faculty of Medicine, LMU München, München. Konfokal avbildning har utförts vid Core faciliteten Bioimaging vid Biomedicinskt Centrum (BMC). Författarna vill tacka Simone Hofmann, Maria Fischer, Cornelia Herbst, Sabine Fink och Martina Rahmeh för teknisk hjälp.
Materials
| 100 Sterican 26 G | Braun, Melsungen, Germany | 4657683 | |
| 100 Sterican 27 G | Braun, Melsungen, Germany | 4657705 | |
| 293T HA Rspo1-Fc | R&D systems, Minneapolis, USA | 3710-001-01 | Alternative: R-Spondin1 expressing Cell line, Sigma-Aldrich, SC111 |
| A-83-01 (TGF-b RI Kinase inhibitor IV) | Merck, Darmstadt, Germany | 616454 | |
| Advanced DMEM/F-12 Medium | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 12634028 | |
| Anti-p53 antibody (DO1) | Santa Cruz Biotechnology, Texas, USA | sc-126 | |
| Anti-PAX8 antibody | Proteintech, Manchester, UK | 10336-1-AP | |
| B-27 Supplement (50x) | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 17504-044 | |
| Bottle-top vacuum filter 0.2 µm | Corning, Berlin, Germany | 430049 | |
| CELLSTAR cell culture flask, 175 cm2 | Greiner Bio-one, Kremsmünster, Austria | 661175 | |
| CELLSTAR cell culture flask, 25 cm2 | Greiner Bio-one, Kremsmünster, Austria | 690160 | |
| CELLSTAR cell culture flask, 75 cm2 | Greiner Bio-one, Kremsmünster, Austria | 658175 | |
| Collagenase I | Thermo Scientific, Waltham, USA | 17018029 | |
| Costar 48-well Clear TC-treated | Corning, Berlin, Germany | 3548 | |
| Cryo SFM | PromoCell – Human Centered Science, Heidelberg, Germany | C-29912 | |
| Cultrex Reduced Growth Factor Basement Membrane Extract, Type 2, Pathclear | R&D systems, Minneapolis, USA | 3533-005-02 | Alternative: Matrigel, Growth Factor Reduced Basement membrane matrix Corning, 356231 |
| Cy5 AffiniPure Donkey Anti-Mouse IgG | Jackson Immuno | 715-175-151 | |
| DAKO Citrate Buffer, pH 6.0, 10x Antigen Retriever | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | C9999-1000ML | |
| DAPI | Thermo Scientific, Waltham, USA | 62248 | |
| Donkey anti rabbit Alexa Fluor Plus 555 | Thermo Scientific, Waltham, USA | A32794 | |
| Donkey anti-Goat IgG Alexa Fluor Plus 488 | Thermo Scientific, Waltham, USA | A32814 | |
| Dulbecco´s Phosphate-Buffered Saline | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 14190-094 | |
| Epredia Richard-Allan Scientific HistoGel | Thermo Scientific, Waltham, USA | Epredia HG-4000-012 | |
| Falcon 24-well Polystyrene | Corning, Berlin, Germany | 351447 | |
| Feather scalpel | Pfm medical, Cologne, Germany | 200130010 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 10270106 | |
| Formalin 37% acid free, stabilized | Morphisto, Offenbach am Main, Germany | 1019205000 | |
| GlutaMAX | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 35050038 | |
| HEPES (1 M) | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 156630080 | |
| Human EpCAM/TROP-1 Antibody | R&D systems, Minneapolis, USA | AF960 | |
| Human FGF10 | Peprotech, NJ, USA | 100-26 | |
| Human recombinant BMP2 | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | PHC7146 | |
| Human recombinant EGF | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | PHG0311L | |
| Human recombinant Heregulin beta-1 | Peprotech, NJ, USA | 100-03 | |
| LAS X core Software | Leica Microsystems | https://webshare.leica-microsystems.com/latest/core/widefield/ | |
| Leica TCS SP8 X White Light Laser Confocal Microscope | Leica Microsystems | ||
| N-2 Supplement (100x) | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 17502-048 | |
| Nicotinamide | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | N0636 | |
| Omnifix 1 mL | Braun, Melsungen, Germany | 3570519 | |
| Paraffin | |||
| Parafilm | Omnilab, Munich, Germany | 5170002 | |
| Paraformaldehyd | Morphisto, Offenbach am Main, Germany | 1176201000 | |
| Pen Strep | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 15140-122 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | P4333-100 | |
| PluriStrainer 400 µm | PluriSelect, Leipzig, Germany | 43-50400-01 | |
| Primocin | InvivoGen, Toulouse, France | ant-pm-05 | |
| Red Blood Cell Lysing Buffer | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | 11814389001 | |
| Roticlear | Carl Roth, Karlsruhe, Germany | A538.5 | |
| Surgipath Paraplast | Leica, Wetzlar, Germany | 39602012 | |
| Thermo Scientific Nunc Cryovials | Thermo Scientific, Waltham, USA | 375418PK | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | T8787 | |
| Trypan Blue Stain | Sigma-Aldrich, Merck, Darmstadt, Germany | T8154 | |
| TrypLE Express Enzyme | Gibco, Thermo Scientific, Waltham, USA | 12604-013 | |
| Tween-20 | PanReac AppliChem, Darmstadt, Germany | A4974-0100 | |
| Y-27632 | TOCRIS biotechne, Wiesbaden, Germany | 1254 | |
| Zeocin | Invitrogen, Thermo Scientific, Waltham, USA | R25001 |
Referências
- Siegel, R. L., Miller, K. D., Fuchs, H. E., Jemal, A. Cancer statistics. CA Cancer J Clin. 72 (1), 7-33 (2022).
- Berger, A. C., et al. A comprehensive pan-cancer molecular study of gynecologic and breast cancers. Cancer Cell. 33 (4), 690-705 (2018).
- Watson, R. W. G., Kay, E. W., Smith, D. Integrating biobanks: addressing the practical and ethical issues to deliver a valuable tool for cancer research. Nat Rev Cancer. 10 (9), 646-651 (2010).
- Coppola, L., et al. Biobanking in health care: evolution and future directions. J Transl Med. 17 (1), 172 (2019).
- Drost, J., et al. Organoid culture systems for prostate epithelial and cancer tissue. Nat Protoc. 11 (2), 347-358 (2016).
- Clevers, H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 165 (7), 1586-1597 (2016).
- Hill, S. J., et al. Prediction of DNA repair inhibitor response in short-term patient-derived ovarian cancer organoids. Cancer Discov. 8 (11), 1404-1421 (2018).
- Kopper, O., et al. An organoid platform for ovarian cancer captures intra- and interpatient heterogeneity. Nat Med. 25 (5), 838-849 (2019).
- Larsen, B. M., et al. A pan-cancer organoid platform for precision medicine. Cell Rep. 36 (4), 109429 (2021).
- Bartfeld, S., Clevers, H. Stem cell-derived organoids and their application for medical research and patient treatment. J Mol Med (Berl). 95 (7), 729-738 (2017).
- Larsen, B. M., Cancino, A., Shaxted, J. M., Salahudeen, A. A. Protocol for drug screening of patient-derived tumor organoids using high-content fluorescent imaging. STAR Protoc. 3 (2), 101407 (2022).
- Senkowski, W., et al. A platform for efficient establishment and drug-response profiling of high-grade serous ovarian cancer organoids. Dev Cell. 58 (12), 1106-1121 (2023).
- LeSavage, B. L., Suhar, R. A., Broguiere, N., Lutolf, M. P., Heilshorn, S. C. Next-generation cancer organoids. Nat Mater. 21 (2), 143-159 (2022).
- Hoffmann, K., et al. Stable expansion of high-grade serous ovarian cancer organoids requires a low-Wnt environment. EMBO J. 39 (6), e104013 (2020).
- Kessler, M., et al. The Notch and Wnt pathways regulate stemness and differentiation in human fallopian tube organoids. Nat Commun. 6, 8989 (2015).
- Trillsch, F., et al. Protocol to optimize the biobanking of ovarian cancer organoids by accommodating patient-specific differences in stemness potential. STAR Protoc. 4 (3), 102484 (2023).
- Maenhoudt, N., et al. Developing organoids from ovarian cancer as experimental and preclinical models. Stem Cell Reports. 14 (4), 717-729 (2020).
- Fuerer, C., Nusse, R. Lentiviral vectors to probe and manipulate the Wnt signaling pathway. PLoS One. 5 (2), e9370 (2010).
- . Leica ASP300S – Advanced smart processor vacuum tissue processor, instructions for use, V 2.1 Available from: https://www.leicabiosystems.com/sites/default/files/media_product-download/2022-01/Leica_ASP300S_IFU_2v1N_en.pdf (2021)
- Thermo Scientific. . Microm EC350 Modular tissue embedding center Instruction manual. , (2009).
- Nanki, Y., et al. Patient-derived ovarian cancer organoids capture the genomic profiles of primary tumours applicable for drug sensitivity and resistance testing. Sci Rep. 10 (1), 12581 (2020).
