Selectieve Cell Eliminatie van Gemengde 3D Cultuur Met behulp van een Near Infrared Photoimmunotherapy Techniek
Summary
Eliminating specific cells without damaging other cells is extremely difficult, especially in established tissue, yet there is an urgent need for a cell elimination method in the tissue engineering field. Here, we present a method for specific cell elimination from a mixed 3D cell culture using near infrared photoimmunotherapy (NIR-PIT).
Abstract
Recent developments in tissue engineering offer innovative solutions for many diseases. For example, tissue engineering using induced pluripotent stem cell (iPS) emerged as a new method in regenerative medicine. Although this tissue regeneration is promising, contamination with unwanted cells during tissue cultures is a major concern. Moreover, there is a safety concern regarding tumorigenicity after transplantation. Therefore, there is an urgent need for eliminating specific cells without damaging other cells that need to be protected, especially in established tissue. Here, we present a method for specific cell elimination from a mixed 3D cell culture in vitro with near infrared photoimmunotherapy (NIR-PIT) without damaging non-targeted cells. This technique enables the elimination of specific cells from mixed cell cultures or tissues.
Introduction
Elimineren van specifieke cellen zonder schade aan andere cellen is zeer moeilijk, vooral in gevestigde weefsel en er dringend behoefte aan een cel eliminatiemethode in het veld van tissue engineering. Tegenwoordig is op het gebied van regeneratieve geneeskunde, weefselculturen met embryonale stamcellen (ES), pluripotente stamcellen (PSC), of geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS) zijn veelbelovende materialen 1-3.
Hoewel dit weefselregeneratie is veelbelovend, verontreiniging met ongewenste cellen is een grote zorg. Bovendien is er geen gevaar van tumorvorming na transplantatie 4,5. Hoewel veel studies gericht op deze kwesties specifieke cellen te elimineren, vooral in regeneratieve geneeskunde 6-8, heeft geen praktische methode ontwikkeld.
Nabij-infrarood photoimmunotherapy (NIR-PIT) is een behandeling op basis van een antilichaam-photoabsorber conjugate (APC). Een APC bestaat uit een cel-specifiek monoklonaal antilichaam (mAb) en een photoabsorber, IR700. IR700 is een hydrofiel silica-ftalocyanine derivaat en heeft fototoxiciteit niet induceert op zichzelf 9. IR700 covalent geconjugeerd met het antilichaam via amide resten op de zijketen van lysine moleculen. De APC bindt doelmoleculen op de celmembraan en induceert bijna onmiddellijk celnecrose na blootstelling aan NIR licht bij 690 nm. Tijdens de blootstelling aan NIR-licht, het cellulaire membraan scheurt leidend tot celdood 9-14. NIR-PIT heeft bewezen effectief met meerdere antilichamen of antilichaamfragmenten, waaronder anti-EGFR, anti-HER2, anti-PSMA, anti-CD25, anti-mesothelin, anti-GPC3 en anti-CEA 15 zijn – 21. Daarom kan NIR-PIT worden gebruikt tegen diverse doelmoleculen. Bovendien NIR-PIT is een goed gecontroleerde behandeling die selectieve behandeling van specifieke regio maakt door het op de NIR-light bestraling 18,22.
Hier presenteren we een methode specifieke cel eliminatie middels NIR-PIT van gemengde 3D kweken.
Protocol
Representative Results
Discussion
We tonen een methode om specifieke cel eliminatie uit een gemengde 3D celkweek zonder schade aan non-target cellen door het gebruik van NIR-PIT. Tot nu toe is er geen praktische methode cel elimineren wanneer het weefsel wordt gevestigd of na transplantatie. Aldus NIR-PIT is een veelbelovende methode om dit te bereiken. Deze techniek kan ook worden gebruikt in vivo 18,22, omdat APC's vertonen gelijkaardige farmacokinetiek mAb zelf. Het type doelcel kan worden aangepast met diverse APC. V…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door de Intramurale Research Program van de National Institutes of Health, National Cancer Institute, Center for Cancer Research.
Materials
| IRDye 700DX Ester Infrared Dye | LI-COR Bioscience (Lincoln, NE, USA) | 929-70011 | |
| Na2HPO4 | SIGMA-ALDRICH (St. Louis, MO, USA) | S9763 | |
| Sephadex G25 column (PD-10) | GE Healthcare (Piscataway, NJ, USA) | 17-0851-01 | |
| Coomassie (bradford) Plus protein assay | Thermo Fisher Scientific Inc (Waltham, MA, USA) | PI-23200 | |
| Perfecta3D 96-Well hanging Drop Plates | 3D Biomatrix Inc (Ann Arbor, MI, USA) | HDP1096-8 | |
| Optical power meter | Thorlabs (Newton, NJ, USA) | PM100 | |
| LED: L690-66-60 | Marubeni America Co. (Santa Clara, CA, USA) | L690-66-60 | |
| Vectibix (panitumumab) | Amgen (Thousand Oaks, CA, USA) | ||
| 35mm glass bottom dish, dish size 35mm, well size 10mm | Cellvis (Mountain View, CA, USA) | D35-10-0-N |
References
- Robinton, D. A., & Daley, G. Q. The promise of induced pluripotent stem cells in research and therapy. Nature. 481 (7381), 295-305, (2012).
- Yamanaka, S. Induced pluripotent stem cells: past, present, and future. Cell stem cell. 10 (6), 678-84, (2012).
- Birchall, M. A., & Seifalian, A. M. Tissue engineering's green shoots of disruptive innovation. Lancet. 6736 (14), 11-12, (2014).
- Ben-David, U., & Benvenisty, N. The tumorigenicity of human embryonic and induced pluripotent stem cells. Nat. Rev. Cancer. 11 (4), 268-77, (2011).
- Hanna, J. H., Saha, K., & Jaenisch, R. Pluripotency and cellular reprogramming: facts, hypotheses, unresolved issues. Cell. 143 (4), 508-25, (2010).
- Lee, M.-O., Moon, S. H., et al. Inhibition of pluripotent stem cell-derived teratoma formation by small molecules. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (35), E3281-90, (2013).
- Miura, K., Okada, Y., et al. Variation in the safety of induced pluripotent stem cell lines. Nat. Biotechnol. 27 (8), 743-5, (2009).
- Tang, C., Lee, A. S., et al. An antibody against SSEA-5 glycan on human pluripotent stem cells enables removal of teratoma-forming cells. Nat. Biotechnol. 29 (9), 829-34, (2011).
- Mitsunaga, M., Ogawa, M., Kosaka, N., Rosenblum, L. T., & Choyke, P. L. Cancer cell – selective in vivo near infrared photoimmunotherapy targeting specific membrane molecules. Nat. Med. 17 (12), 1685-1691, (2011).
- Mitsunaga, M., Nakajima, T., Sano, K., Kramer-Marek, G., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Immediate in vivo target-specific cancer cell death after near infrared photoimmunotherapy. BMC Cancer. 12 (1), 345, (2012).
- Nakajima, T., Sano, K., Mitsunaga, M., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Real-time monitoring of in vivo acute necrotic cancer cell death induced by near infrared photoimmunotherapy using fluorescence lifetime imaging. Cancer Res. 72 (18), 4622-8, (2012).
- Sano, K., Mitsunaga, M., Nakajima, T., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Acute cytotoxic effects of photoimmunotherapy assessed by 18F-FDG PET. J. Nucl. Med. 54 (5), 770-5, (2013).
- Sato, K., Watanabe, R., et al. Photoimmunotherapy: Comparative effectiveness of two monoclonal antibodies targeting the epidermal growth factor receptor. Mol. Oncol. 8 (3), 620-632, (2014).
- Sato, K., Nagaya, T., Mitsunaga, M., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy for lung metastases. Cancer Lett. 365 (1):112-21, (2015).
- Sato, K., Hanaoka, H., Watanabe, R., Nakajima, T., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Near Infrared Photoimmunotherapy in the Treatment of Disseminated Peritoneal Ovarian Cancer. Mol. Cancer Ther. 14 (8), 141-150, (2014).
- Sato, K., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Photoimmunotherapy of Gastric Cancer Peritoneal Carcinomatosis in a Mouse Model. PloS one. 9 (11), e113276, (2014).
- Sato, K., Nagaya, T., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Near Infrared Photoimmunotherapy in the Treatment of Pleural Disseminated NSCLC : Preclinical Experience. Theranostics. 5 (7), 698-709, (2015).
- Sato, K., Nakajima, T., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Selective cell elimination in vitro and in vivo from tissues and tumors using antibodies conjugated with a near infrared phthalocyanine. RSC Adv. 5, 25105-25114, (2015).
- Watanabe, R., Hanaoka, H., et al. Photoimmunotherapy Targeting Prostate-Specific Membrane Antigen: Are Antibody Fragments as Effective as Antibodies? J. Nucl. Med. 56 (1), 140-144, (2014).
- Nakajima, T., Sano, K., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Improving the efficacy of Photoimmunotherapy (PIT) using a cocktail of antibody conjugates in a multiple antigen tumor model. Theranostics. 3 (6), 357-65, (2013).
- Shirasu, N., & Yamada, H. Potent and specific antitumor effect of CEA-targeted photoimmunotherapy. Int J Cancer. 135(11), 1-14, (2014).
- Sato, K., Nagaya, T., Nakamura, Y., Harada, T., Choyke, P. L., & Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy prevents lung cancer metastases in a murine model. Oncotarget. 6 (23), 19747-58, (2015).
- Nakajima, T., Sato, K., et al. The effects of conjugate and light dose on photo-immunotherapy induced cytotoxicity. BMC cancer. 14 (1), 389, (2014).
- Klimanskaya, I., Rosenthal, N., & Lanza, R. Derive and conquer: sourcing and differentiating stem cells for therapeutic applications. Nat. Rev. Drug Discov. 7 (2), 131-42, (2008).
- Burmester, G. R., Feist, E., & Dörner, T. Emerging cell and cytokine targets in rheumatoid arthritis. Nat. Rev. Rheumatol. 10 (2), 77-88, (2014).
- Pardoll, D. M. The blockade of immune checkpoints in cancer immunotherapy. Nat. Rev. Cancer. 12 (4), 252-64, (2012).
