Utökad Time-lapse Intravital avbildning av realtid flercelliga Dynamics i tumörens mikro
Summary
Detta protokoll beskriver användningen av multifotonmikroskop för att utföra förlängda tidsförlopp avbildning av flercelliga interaktioner i realtid, in vivo på en enda cell upplösning.
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
Spridning av tumörceller från den primära brösttumör har visats involvera inte bara tumörceller, men värd stromala celler inkluderande makrofager och endotelceller. Dessutom är tumörvaskulatur onormalt med ökad permeabilitet en. Således är viktig för att förstå metastaser bestämma hur tumörceller, makrofager och endotelceller samverkar för att förmedla vaskulär permeabilitet och tumörcell intravasering i den primära tumören mikromiljö. Att förstå kinetiken för vaskulär permeabilitet, tumörcell intravasering och mekanismen för flercelliga interaktioner i tumören mikro underliggande signalering kan ge viktig information för att utveckla och administration av anti-cancerterapier.
Det primära sättet att studera tumör vaskulär permeabilitet in vivo har varit mätning av extravaskulära färgämnen som Evans blå 2, högmolekylära dextraner (155 kDa)3 och fluorofor eller radiotracer-konjugerad proteiner (inkluderande albumin) 4 vid fasta tidpunkter efter injektion av färgämnet. Framsteg inom mikroskopi, har djurmodeller och fluorescerande färgämnen möjlig visualisering av cellulära processer och vaskulär permeabilitet i levande djur genom intravital mikroskopi 5.
Levande djur avbildning med förvärvet av statiska bilder eller kort time-lapse-sekvenser under flera tidpunkter inte möjliggöra fullständig förståelse av dynamiska händelser i tumören mikro 6,7. Faktum är att statisk bildtagning under loppet av 24 timmar visade att tumörkärl är läckande, men dynamiken i vaskulär permeabilitet observerades inte sex. Således, förlängd kontinuerlig tidsförlopp avbildning upp till 12 timmar fångar kinetiken av dynamiska händelser i tumören mikromiljö.
Detta protokoll beskriver användningen av förlängda tidsförlopp multiphotpå intravital mikroskopi för att studera dynamiska flercelliga händelser i tumören mikromiljö. Flera celltyper i tumören mikro är märkta med injicerbara färgämnen eller genom att använda transgena djur som uttrycker fluorescerande proteiner. Med användning av en svansven kateter vaskulära färgämnen eller proteiner kan injiceras efter starten av bildbehandling för att förvärva kinetiska data av multicellulära händelser i tumörmikromiljön. För levande cell imaging brösttumör är exponerad genom den kirurgiska beredningen av en hud klaff. Bilder förvärvas för upp till 12 timmar med en multifotonmikroskop utrustad med flera fotomultiplikatorrör (PMT) detektorer 8. Genom att använda lämpliga filter, en subtraktion algoritm möjliggör 4 PMT detektorer för att förvärva 5 fluorescerande signaler i tumörens mikromiljö samtidigt 9. Högupplöst multifoton intravital mikroskopi fångar enda cell upplösning avbildning av tumör stroma interaktioner i tumören mikro, vilket leder till en bättre understanding av vaskulär permeabilitet och tumörcell intravasering 10-13. Specifikt förlängda intravital imaging avslöjade mycket lokal, övergående vaskulära permeabilitets-händelser som inträffar selektivt vid ställen för interaktion mellan en tumörcell, en makrofag och en endotelcell (definierad som tumörens mikro av Metastas, TMEM 14) 13. Dessutom sker tumörcell intravasering endast på TMEM och rumsligt och tidsmässigt korrelerade med vaskulär permeabilitet 13. Enda cell upplösning av dynamiken i dessa händelser möjliggjordes genom användning av förlängda tidsförlopp multifoton mikroskopi av fluorescerande celler i tumören mikromiljö.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cellulära interaktioner som förekommer spontant i tumören mikro kan leda till förändringar i tumörcellrörlighet och intravasering. Högupplöst intravital avbildning av levande tumörvävnad medger visualisering av flercelliga dynamik som kan vara mycket övergående 10,13,24. Slutpunkt in vivo eller time-lapse bilder som förvärvats med diskreta tidpunkter kan ge viktig information om molekylära mekanismer för processer i tumören mikromiljö. Intravital imaging studier har använts för a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av försvarsdepartementet Breast Cancer Research programmet under tilldelning nummer (ASH, W81XWH-13-1-0010), NIH CA100324, PPG CA100324, och den integrerade bildprogrammet.
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).
