Prolongado lapso de tiempo intravital de imágenes de tiempo real multicelular Dinámica en el microambiente tumoral
Summary
Este protocolo describe el uso de la microscopía multifotónica para realizar extendida time-lapse de las interacciones multicelulares en tiempo real, en vivo a una resolución de una sola célula.
Abstract
In the tumor microenvironment, host stromal cells interact with tumor cells to promote tumor progression, angiogenesis, tumor cell dissemination and metastasis. Multicellular interactions in the tumor microenvironment can lead to transient events including directional tumor cell motility and vascular permeability. Quantification of tumor vascular permeability has frequently used end-point experiments to measure extravasation of vascular dyes. However, due to the transient nature of multicellular interactions and vascular permeability, the kinetics of these dynamic events cannot be discerned. By labeling cells and vasculature with injectable dyes or fluorescent proteins, high-resolution time-lapse intravital microscopy has allowed the direct, real-time visualization of transient events in the tumor microenvironment. Here we describe a method for using multiphoton microscopy to perform extended intravital imaging in live mice to directly visualize multicellular dynamics in the tumor microenvironment. This method details cellular labeling strategies, the surgical preparation of a mammary skin flap, the administration of injectable dyes or proteins by tail vein catheter and the acquisition of time-lapse images. The time-lapse sequences obtained from this method facilitate the visualization and quantitation of the kinetics of cellular events of motility and vascular permeability in the tumor microenvironment.
Introduction
La difusión de células tumorales de tumor de mama primario se ha demostrado que la participación células tumorales no sólo, pero el anfitrión de las células del estroma incluyendo los macrófagos y células endoteliales. Además, la vasculatura del tumor es anormal con aumento de la permeabilidad 1. Por lo tanto, la determinación de cómo las células tumorales, los macrófagos y las células endoteliales interactúan para mediar en la permeabilidad vascular y intravasación de células tumorales en el microambiente del tumor primario es importante para entender la metástasis. La comprensión de la cinética de la permeabilidad vascular, la intravasación de células tumorales y el mecanismo de señalización subyacente de las interacciones multicelulares en el microambiente tumoral puede proporcionar información crucial en el desarrollo y administración de terapias contra el cáncer.
El principal medio de estudio de la permeabilidad vascular de tumores in vivo ha sido la medición de tintes extravasculares como el azul 2, dextranos Evans alto peso molecular (155 kDa)3 y fluoróforo o proteínas de radiotrazadores conjugado (incluyendo albúmina) 4 en puntos fijos de tiempo después de la inyección del colorante. Los avances en microscopía, modelos animales y tintes fluorescentes han permitido la visualización de procesos celulares y la permeabilidad vascular en animales vivos a través de microscopía intravital 5.
Imágenes de animales vivos con la adquisición de imágenes estáticas o secuencias corto lapso de tiempo sobre varios puntos de tiempo no permite la comprensión completa de eventos dinámicos en el microambiente tumoral 6,7. De hecho, la adquisición de imagen estática durante el transcurso de 24 horas demostró que la vasculatura del tumor es permeable, sin embargo la dinámica de la permeabilidad vascular no se observó 6. Por lo tanto, extendida continua de imágenes de lapso de tiempo de hasta 12 horas capta la cinética de eventos dinámicos en el microambiente tumoral.
Este protocolo describe el uso de multiphot prolongado lapso de tiempoen la microscopía intravital para estudiar eventos multicelulares dinámicos en el microambiente tumoral. Múltiples tipos de células en el microambiente del tumor se marcan con tintes inyectables o mediante el uso de animales transgénicos que expresan proteínas fluorescentes. El uso de un catéter de vena de la cola colorantes vasculares o proteínas pueden ser inyectados después del inicio de formación de imágenes para adquirir datos cinética de eventos multicelulares en el microambiente tumoral. Para imágenes de células vivas del tumor mamario está expuesto a través de la preparación quirúrgica de un colgajo de piel. Las imágenes se adquieren por hasta 12 horas utilizando un microscopio multifotónica equipado con múltiples tubos fotomultiplicadores (PMT) detectores 8. Mediante el uso de filtros adecuados, un algoritmo de sustracción permite 4 detectores PMT para adquirir 5 señales fluorescentes en el microambiente tumoral simultáneamente 9. microscopía de alta resolución multifotónica intravital captura resolución de celda de imagen única de las interacciones tumor-estroma en el microambiente del tumor, lo que lleva a una mejor uOMPRENDER de la permeabilidad vascular y intravasación de células tumorales 10-13. Específicamente, reveladas muy localizadas, eventos de permeabilidad prolongados de formación de imágenes intravital transitorios vasculares que se producen de forma selectiva en los sitios de interacción entre una célula tumoral, un macrófago y una célula endotelial (definido como el microambiente tumoral de metástasis, TMEM 14) 13. Además, la intravasación de células tumorales se produce sólo en TMEM y se espacial y temporalmente correlacionado con la permeabilidad vascular 13. fue posible la resolución de una sola célula de la dinámica de estos eventos a través del uso de prolongado lapso de tiempo múltiple de fotones microscopía de las células marcadas con fluorescencia en el microambiente tumoral.
Protocol
Representative Results
Discussion
interacciones celulares que se producen de forma espontánea en el microambiente del tumor puede conducir a cambios en la motilidad de las células tumorales y intravasación. -Alta resolución de imagen intravital del tejido tumoral vivo permite la visualización de la dinámica multicelulares que pueden ser altamente 10,13,24 transitoria. Punto final en ensayos in vivo o imágenes con lapso de tiempo adquiridos con puntos de tiempo discretos pueden proporcionar información esencial sobre …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Defensa de mama Cancer Research Program con el número de concesión (ASH, W81XWH-13-1-0010), NIH CA100324, CA100324 PPG, y el Programa Integrado de imagen.
Materials
| 155 kDa dextran-tetramethylrhodamine isothiocyanate | Sigma Aldrich | T1287 | reconstitute at 20 mg/mL in 1 X PBS |
| 70 kDa dextran-Texas Red | Life Technologies | D-1830 | reconstitute at 10 mg/mL in 1 X PBS |
| 10 kDa dextran-fluorescein isothyocyanate | Sigma Aldrich | FD10S | reconstitute at 20 mg/mL in 1 X PBS |
| Qdot 705 ITK Amino (PEG) Quantum Dots | Life Technologies | Q21561MP | Dilute 25 uL in 175 uL of 1 X PBS for injection |
| MMTV-PyMT mice | Jackson Laboratory | 2374 | |
| Csf1r-ECFP mice (Csf1r-Gal4/VP16,UAS-ECFP) | Jackson Laboratory | 26051 | |
| Csf1r-EGFP mice | Jackson Laboratory | 18549 | |
| 1 x PBS | Life Technologies | ||
| Isoethesia (isoflurane) | Henry Schein Animal Health | 50033 | 250 mL |
| Oxygen | AirTech | ||
| 1 mL syringe, tuberculin slip tip | BD | 309659 | |
| 30G x 1 (0.3 mm X 25 mm) needle | BD | 305128 | |
| Polyethylene micro medical tubing | Scientific Commodities Inc | BB31695-PE/1 | 0.28 mm I.D. X 0.64 mm O.D. |
| Microscope coverglass | Corning | 2980-225 | thickness 1.5, 22 X 50 mm |
| MouseOx oximeter, software and sensors | STARR Life Sciences | ||
| Laboratory tape | Fisher Scientific | 159015R | |
| soft rubber pad | McMaster-Carr | 8514K62 | Ultra-Soft Polyurethane Film, 3/16” Thick, 12" x 12", 40 Oo Durometer, Plain Back |
| hard rubber pad | McMaster-Carr | 8568K615 | High-Strength Neoprene Rubber Sheet 1/4" Thick, 12" X 12", 50A Durometer, |
| Microscope | Olympus | The microscope is a custom built two laser multiphoton microscope based on an Olympus IX-71 stand utilizing a 20x 1.05NA objective lens. | |
| 7-Punch set | McMaster-Carr | 3429A12 | , 1/4" to 1" Hole Diameter, for Hammer-Driven Hole Punch, |
References
- Gerlowski, L. E., Jain, R. K. Microvascular permeability of normal and neoplastic tissues. Microvasc Res. 31 (3), 288-305 (1986).
- Wang, H. -. L., Lai, T. W. Optimization of Evans blue quantitation in limited rat tissue samples. Sci Rep. 4, (2014).
- Dvorak, H. F. Rous-Whipple Award Lecture. How tumors make bad blood vessels and stroma. Am J Pathol. 162 (6), 1747-1757 (2003).
- Nagy, J. A., et al. Permeability properties of tumor surrogate blood vessels induced by VEGF-A. Lab Invest. 86 (8), 767-780 (2006).
- Egawa, G., et al. Intravital analysis of vascular permeability in mice using two-photon microscopy. Sci Rep. 3, (2013).
- Yuan, F., et al. Vascular permeability in a human tumor xenograft: molecular size dependence and cutoff size. Cancer Res. 55 (17), 3752-3756 (1995).
- Dellian, M., Yuan, F., Trubetskoy, V. S., Torchilin, V. P., Jain, R. K. Vascular permeability in a human tumour xenograft: molecular charge dependence. Br J Cancer. 82 (9), 1513-1518 (2000).
- Entenberg, D., et al. Setup and use of a two-laser multiphoton microscope for multichannel intravital fluorescence imaging. Nat Protocols. 6 (10), 1500-1520 (2011).
- Entenberg, D., et al. Imaging tumor cell movement in vivo. Curr Protoc Cell Biol. Chapter. 19, (2013).
- Patsialou, A., et al. Intravital multiphoton imaging reveals multicellular streaming as a crucial component of in vivo. cell migration in human breast tumors. Intravital. 2 (2), e25294 (2013).
- Gligorijevic, B., Bergman, A., Condeelis, J. Multiparametric classification links tumor microenvironments with tumor cell phenotype. PLoS Biol. 12 (11), e1001995 (2014).
- Roussos, E. T., et al. Mena invasive (MenaINV) promotes multicellular streaming motility and transendothelial migration in a mouse model of breast cancer. J Cell Sci. 13, 2120-2131 (2011).
- Harney, A. S., et al. Real-Time Imaging Reveals Local, Transient Vascular Permeability, and Tumor Cell Intravasation Stimulated by TIE2hi Macrophage-Derived VEGFA). Cancer Discov. 5 (9), 932-943 (2015).
- Robinson, B. D., et al. Tumor microenvironment of metastasis in human breast carcinoma: a potential prognostic marker linked to hematogenous dissemination. Clin Cancer Res. 15, 2433-2441 (2009).
- Sasmono, R. T., et al. A macrophage colony-stimulating factor receptor-green fluorescent protein transgene is expressed throughout the mononuclear phagocyte system of the mouse. Blood. 101 (3), 1155-1163 (2003).
- Ovchinnikov, D. A., et al. Expression of Gal4-dependent transgenes in cells of the mononuclear phagocyte system labeled with enhanced cyan fluorescent protein using Csf1r-Gal4VP16/UAS-ECFP double-transgenic mice. J Leukcocyte Biol. 83 (2), 430-433 (2008).
- Liu, H., et al. Cancer stem cells from human breast tumors are involved in spontaneous metastases in orthotopic mouse models. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (42), 18115-18120 (2010).
- Nakasone, E. S., Askautrud, H. A., Egeblad, M. Live imaging of drug responses in the tumor microenvironment in mouse models of breast cancer. J Vis Exp. (73), (2013).
- Weis, S., Cui, J., Barnes, L., Cheresh, D. Endothelial barrier disruption by VEGF-mediated Src activity potentiates tumor cell extravasation and metastasis. J Cell Biol. 167 (2), 223-229 (2004).
- Wyckoff, J., Gligorijevic, B., Entenberg, D., Segall, J., Condeelis, J. High-Resolution Multiphoton Imaging of Tumors. In Vivo. Cold Spring Harb Protoc. (10), (2011).
- Lathia, J. D., et al. Direct in vivo. evidence for tumor propagation by glioblastoma cancer stem cells. PLoS One. 6 (9), e24807 (2011).
- Nakasone, E. S., et al. Imaging tumor-stroma interactions during chemotherapy reveals contributions of the microenvironment to resistance. Cancer Cell. 21 (4), 488-503 (2012).
- Dreher, M. R., et al. Tumor vascular permeability, accumulation, and penetration of macromolecular drug carriers. J Natl Cancer Inst. 98 (5), 335-344 (2006).
- Wyckoff, J. B., et al. Direct visualization of macrophage-assisted tumor cell intravasation in mammary tumors. Cancer Res. 67 (6), 2649-2656 (2007).
- Chittajallu, D. R., et al. In vivo. cell-cycle profiling in xenograft tumors by quantitative intravital microscopy. Nat Methods. 12 (6), 577-585 (2015).
- Kedrin, D., et al. Intravital imaging of metastatic behavior through a mammary imaging window. Nat Methods. 5 (12), 1019-1021 (2008).
- Yano, S., et al. Spatial-temporal FUCCI imaging of each cell in a tumor demonstrates locational dependence of cell cycle dynamics and chemoresponsiveness. Cell Cycle. 13 (13), 2110-2119 (2014).
- Yang, M., Jiang, P., Hoffman, R. M. Whole-body subcellular multicolor imaging of tumor-host interaction and drug response in real time. Cancer Res. 67 (11), 5195-5200 (2007).
- Manning, C. S., et al. Intravital imaging reveals conversion between distinct tumor vascular morphologies and localized vascular response to Sunitinib. Intravital. 2 (1), 24790 (2013).
- Alexander, S., Koehl, G. E., Hirschberg, M., Geissler, E. K., Friedl, P. Dynamic imaging of cancer growth and invasion: a modified skin-fold chamber model. Histochem Cell Biol. 130 (6), 1147-1154 (2008).
- Brown, E. B., et al. In vivo. measurement of gene expression, angiogenesis and physiological function in tumors using multiphoton laser scanning microscopy. Nat Med. 7 (7), 864-868 (2001).
