اختبار القدرة الأوعية الدموية الغازية من خلايا السرطان في الزرد (<em> دانيو Rerio</em>)
Summary
هذه الطريقة تستخدم الأجنة الزرد لاختبار كفاءة القدرة الغازية الأوعية الدموية للخلايا السرطانية. يتم حقن الخلايا السرطانية الفلورسنت في الجيوب الأنفية أو أمام القلب الكيس المحي من الأجنة النامية. ويتم تقييم الخلايا السرطانية غزو الأوعية الدموية والتسرب عن طريق الفحص المجهري مضان من منطقة الذيل في وقت لاحق 24-96 ساعة.
Abstract
Cancer cell vascular invasion and extravasation is a hallmark of metastatic progression. Traditional in vitro models of cancer cell invasion of endothelia typically lack the fluid dynamics that invading cells are otherwise exposed to in vivo. However, in vivo systems such as mouse models, though more physiologically relevant, require longer experimental timescales and present unique challenges associated with monitoring and data analysis. Here we describe a zebrafish assay that seeks to bridge this technical gap by allowing for the rapid assessment of cancer cell vascular invasion and extravasation. The approach involves injecting fluorescent cancer cells into the precardiac sinus of transparent 2-day old zebrafish embryos whose vasculature is marked by a contrasting fluorescent reporter. Following injection, the cancer cells must survive in circulation and subsequently extravasate from vessels into tissues in the caudal region of the embryo. Extravasated cancer cells are efficiently identified and scored in live embryos via fluorescence imaging at a fixed timepoint. This technique can be modified to study intravasation and/or competition amongst a heterogeneous mixture of cancer cells by changing the injection site to the yolk sac. Together, these methods can evaluate a hallmark behavior of cancer cells and help uncover mechanisms indicative of malignant progression to the metastatic phenotype.
Introduction
المرض المنتشر هو سبب رئيسي لوفيات السرطان والعديد من الآليات التي تمكن من نشر الخلايا السرطانية ولا يزال يتعين اكتشافها 1. من أجل خلية السرطانية metastasize بنجاح، يجب أن غزو أولا من خلال سدى الذي يحيط الورم الرئيسي، أدخل (intravasate) في نظام الدورة الدموية، والبقاء على قيد الحياة في العبور، الخروج (يتسرب) من التداول، وإقامة أخيرا مستعمرة قابلة للحياة في موقع الجهاز البعيد 2. دخول الوعاء والتسرب وبالتالي فهي خطوات حاسمة في تتالي النقيلي، ولكن كل الخلايا السرطانية ليست بارعة بطبيعتها على تعطيل والهجرة من خلال تقاطعات البطانية 3. في الواقع، هناك سلسلة من الضغوط اختيار الفريدة التي تحيط الخلايا السرطانية غزو الأوعية الدموية وعملية يمكن زيادة يتأثر بمجموعة من العوامل 4 الداخلية والخارجية. لهذه الأسباب، التقنيات التي تحقيق في السلوك العدواني من السرطان مرحلة متقدمة غالبا ما تركز على الخامسascular القدرة الغازية كوسيلة للتنبؤ انتشار النقيلي.
توجد أنظمة نموذج مختلف لتسهيل دراسة الخلايا السرطانية غزو الأوعية الدموية في المختبر. الأكثر استخداما في فحوصات المختبر ينطوي إما أنظمة transwell لتقييم هجرة الخلايا السرطانية من خلال حاجز غشائي 5 أو التكنولوجيا الكهربائية الخلوي الركيزة الممانعة الاستشعار (ECIS) لمراقبة اضطراب في الوقت الحقيقي من أحادي الطبقة البطانية سليمة من الخلايا السرطانية 6. هذه المقايسات تفتقر عادة ديناميات السوائل والعوامل اللحمية التي من شأنها أن تؤثر على خلاف ذلك مرفق الخلية السرطانية إلى جدار البطانية. وتحايلت هذه المسألة إلى حد ما عن طريق شبكات الأوعية الدموية perfusable التي تنشأ عن الثقافة 3D من بطائن مع دعم خلايا انسجة، وهذه النظم ميكروفلويديك 3D تمثل الآن طليعة الخيارات الحالية في المختبر 7،8. ومع ذلك، هذه النهج حذفت المكروية قوية لنظام الدورة الدموية وظيفيةوبالتالي فقط في بديل جزئي لنماذج في الجسم الحي.
الأكثر استخداما في نموذج الجسم الحي من غزو الأوعية الدموية هو الفأر، الذي يتم تنفيذ المقايسات الانبثاث التجريبية عادة لأنها تحدث على فترات زمنية قصيرة نسبيا وتدل عموما من قدرة النقيلي 9. وتشمل هذه المقايسات الحقن المباشر للخلايا السرطانية في الدورة الدموية وبالتالي نموذج المراحل النهائية من ورم خبيث، وهي التسرب والخلايا السرطانية الاستعمار الأعضاء. تختلف المقايسات الانبثاث التجريبية القائمين على الموقع من حقن الخلايا السرطانية وأجهزة تحليلها في نهاية المطاف. في أول نوع الفحص، يتم حقن الخلايا السرطانية في الوريد ذيل الفئران والبذر الخلايا السرطانية في الرئتين ويتم رصد 10،11. الفحص الثاني القيام الحقن داخل القلب لتوجيه البذر المنتشر نحو المكروية العظام 12-14، ولكن أيضا للدماغ (15). في مقايسة الثالث، سرطان جيتم حقن ملتعلمي اللغة اإلنكليزية في الطحال للسماح الاستعمار الكبد 16 في حين أن الطريق تسليم الرابع في الشريان السباتي يحمل خلايا السرطان إلى الدماغ 17،18. بغض النظر عن طريقة التسليم الخلايا السرطانية والاستعمار الجهاز هو نقطة النهاية التجريبية المقبولة ويتم تحديد عموما عبر التلألؤ، الأنسجة، أو التقنيات التي تعتمد PCR. على الرغم من المزايا الفسيولوجية إجراء فحوصات الانبثاث التجريبية ضمن مجموعة الفئران، وهذه التجارب لا تزال بحاجة إلى أسابيع أو أشهر لاستكمال وتحليل.
وقد ظهرت (دانيو rerio) نموذج الزرد مؤخرا نظاما جديدا لدراسة سرطان التقدم 19،20، وتتيح لتقييم الخلايا السرطانية غزو الأوعية الدموية في نظام الدورة الدموية وظيفية على مدى زمني أقصر بكثير بالمقارنة مع الفئران 21-24. طريقة تستخدم سلالة الزرد شفافة الذي بطائن لها الموسومة مع فلوو الشعاب المرجانية الخضراءrescent البروتين مراسل مدفوعا المروج kdrl، ومستقبلات الزرد لبطانة الأوعية الدموية عامل النمو 25. في الفحص، وصفت الخلايا السرطانية مع علامة فلوري الحمراء وحقنها في الجيوب الأنفية أمام القلب من الأجنة القديمة 2-اليوم. في أي مكان بين 48-96 ساعة بعد الحقن، والخلايا السرطانية التي غزت من الأوعية الدموية وفي المنطقة الذيلية من الأجنة يمكن سجل بكفاءة على المجهر الفلورسنت. نحن هنا تطبيق هذه التقنية لفريق من خطوط خلايا سرطان الثدي البشرية تستخدم عادة لإظهار الفوارق الصارخة في قدرة الغازية الأوعية الدموية الخاصة بهم. وعلاوة على ذلك، علينا أن نبرهن على تغيير موقع الحقن إلى كيس الجنين صفار يسمح لدراسة التفاعلات الخلية غير متجانسة، والسكان الخلايا السرطانية يمكن أن توصف بشكل مختلف مع الأصباغ الفلورية وحقنها في أجنة الزرد تفتقر الأوعية الدموية الفلورسنت. في هذا الاختبار الأخير، الخلايا السرطانية التي غزت صفار البيض وintravasated في vasculaturوسجل الإلكترونية في المنطقة الذيلية 24-48 ساعة بعد الحقن. نظرا لفعالية وراحة من هذا النموذج، ويعمل الزرد على نحو متزايد لاختبار بسرعة قدرة الغازية الأوعية الدموية من الخلايا السرطانية في ظل وضع فيزيولوجي.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذه التقنية تستخدم نموذج الزرد لاختبار كفاءة القدرة الغازية الأوعية الدموية لخلايا السرطان (انظر الشكل 1). نحن هنا تطبيق هذه التقنية لفريق من خطوط خلايا سرطان الثدي من أجل توفير قاعدة على الذي المحققين الآخرين ويمكن بعد ذلك بناء الدراسات الخاصة بها (انظر <stron…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Peter Johnson of the Georgetown University Microscopy Core for assistance with imaging the zebrafish embryos. The Microscopy & Imaging Shared Resource and the Zebrafish Shared Resource are partially supported by NIH/NCI grant P30-CA051008. This work was also supported by NIH/NCI CA71508 (AW) and CA177466 (AW).
Materials
| 0.05% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25300-054 | |
| 100mm Dishes | Corning Incorporated | 3160-100 | |
| 5 3/4" Disposable Pastur Pipets, borosilicate Glass | Fisher Brand | 13-678-20B | |
| 60 mm Dish | Corning Incorporated | 3160-60 | |
| Agarose, Low Melting | Fisher | BP165-25 | |
| Agarose, Molecular Grade | Bioline | BIO-41026 | |
| Capillary Glass, Standard, 1.2MM x 0.68MM, 4" | A-M Systems, Inc | 627000 | |
| David Kopf 700C Vertical Pipette Puller | Hofstra Group | 3600 | |
| DMEM | Life Technologies | 11995-065 | |
| Electrode Storage Jar, 1.0MM | World Precision Instruments, Inc | E210 | |
| Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate salt (Tricaine, MS-222) | Fluka | A5040 | |
| Eyelash Brush | Ted Pella, Inc | 113 | |
| Fetal Bovine Serum, Heat Inactivated | Omega Scientific | FB-12 | |
| Fisherbrand Transfer Pipettes | ThermoFisher Scientific | 13-711-7M | |
| Gel Loading Pipet Tips | Fisher Brand | 02-707-181 | |
| Glass Bottom Dishes (12.0 mm) | ThermoFisher Scientific | 150680 | |
| Glass Depression Slide | VWR | 470005-634 | |
| Instant Ocean Salt, Sea Salt | Pentair | IS50 | |
| Latex Rubber Bulbs, 2mL, Pack of 72 | Heathrow Scientific | HS20622B | |
| SP8 Confocal Microscope | Leica | ||
| Micromanipulator | Narishige | ||
| Eclipse E600 | Nikon | ||
| PBS | Life Technologies | 10010-023 | |
| Penicillin-G Potassium | Fisher Biotech | BP914-100 | |
| Petri Plates, 100mm x 15mm | Fisher Brand | FB0875713 | |
| Picospritzer II | General Valve Corporation | ||
| RPMI 1640 Medium | Life Technologies | 11875-093 | |
| Streptomycin Sulfate | Fisher Biotech | BP910-50 | |
| Vybrant DiI | ThermoFisher Scientific | V22885 | |
| Vybrant DiO | ThermoFisher Scientific | V22886 | |
| Zebrafish | Georgetown Zebrafish Shared Resources | ||
| Cell lines were maintained in DMEM + 10% FBS, with the expection of BT-474 and HCC18-6 cells, which were mantained in RPMI + 10% FBS. | |||
References
- Cummings, M. C., et al. Metastatic progression of breast cancer: insights from 50 years of autopsies. Am J Path. 232, 23-31 (2014).
- Nguyen, D. X., Bos, P. D., Massagué, J. Metastasis: from dissemination to organ-specific colonization. Nat Rev Cancer. 9 (4), 274-284 (2009).
- Reymond, N., d’Água, B. B., Ridley, A. J. Crossing the endothelial barrier during metastasis. Nat Rev Cancer. 13 (12), 858-870 (2013).
- Quail, D. F., Joyce, J. A. Microenvironmental regulation of tumor progression and metastasis. Nat Med. 19 (11), 1423-1437 (2013).
- Hooper, S., Marshall, J. F., Sahai, E. Tumor cell migration in three dimensions. Method Enzymol. 409, 625-642 (2006).
- Rahim, S., Üren, A. A real-time electrical impedance based technique to measure invasion of endothelial cell monolayer by cancer cells. J Vis Exp. (50), (2011).
- Jeon, J. S., et al. Human 3D vascularized organotypic microfluidic assays to study breast cancer cell extravasation. Proc Natl Acad Sci USA. 112 (1), 214-219 (2015).
- Shin, Y., et al. Microfluidic assay for simultaneous culture of multiple cell types on surfaces or within hydrogels. Nat Protoc. 7 (7), 1247-1259 (2012).
- Vargo-Gogola, T., Rosen, J. M. Modelling breast cancer: one size does not fit all. Nat Rev Cancer. 7 (9), 659-672 (2007).
- Mohanty, S., Xu, L. Experimental metastasis assay. J Vis Exp. (42), (2010).
- Minn, A. J., et al. Genes that mediate breast cancer metastasis to lung. Nature. 436 (7050), 518-524 (2005).
- Campbell, J. P., Merkel, A. R., Masood-Campbell, S. K., Elefteriou, F., Sterling, J. A. Models of bone metastasis. J Vis Exp. (64), e4260 (2012).
- Arguello, F., Baggs, R. B., Frantz, C. N. A murine model of experimental metastasis to bone and bone marrow. Cancer Res. 48 (23), 6876-6881 (1988).
- Minn, A. J., et al. Distinct organ-specific metastatic potential of individual breast cancer cells and primary tumors. J Clin Invest. 115 (1), 44-55 (2005).
- Bos, P. D., et al. Genes that mediate breast cancer metastasis to the brain. Nature. 459 (7249), 1005-1009 (2009).
- Soares, K. C., et al. A preclinical murine model of hepatic metastases. J Vis Exp. (91), e51677 (2014).
- Kienast, Y., et al. Real-time imaging reveals the single steps of brain metastasis formation. Nature Med. 16 (1), 116-122 (2010).
- Hasegawa, H., Ushio, Y., Hayakawa, T., Yamada, K., Mogami, H. Changes of the blood-brain barrier in experimental metastatic brain tumors. J Neurosurg. 59 (2), 304-310 (1983).
- Amatruda, J. F., Shepard, J. L., Stern, H. M., Zon, L. I. Zebrafish as a cancer model system. Cancer Cell. 1 (3), 229-231 (2002).
- Feitsma, H., Cuppen, E. Zebrafish as a cancer model. Molecular Cancer Res. 6 (5), 685-694 (2008).
- Stoletov, K., Klemke, R. Catch of the day: zebrafish as a human cancer model. Oncogene. 27 (33), 4509-4520 (2008).
- Stoletov, K., et al. Visualizing extravasation dynamics of metastatic tumor cells. J Cell Sci. 123 (13), 2332-2341 (2010).
- Kanada, M., Zhang, J., Yan, L., Sakurai, T., Terakawa, S. Endothelial cell-initiated extravasation of cancer cells visualized in zebrafish. PeerJ. , (2014).
- Teng, Y., Xie, X., Walker, S., White, D. T., Mumm, J. S., Cowell, J. K. Evaluating human cancer cell metastasis in zebrafish. BMC Cancer. 13 (453), (2013).
- Cross, L. M., Cook, M. A., Lin, S., Chen, J. -. N., Rubinstein, A. L. Rapid analysis of angiogenesis drugs in a live fluorescent zebrafish assay. Arterioscl Throm Vas. 23 (5), 911-912 (2003).
- Sharif, G. M., et al. Cell growth density modulates cancer cell vascular invasion via Hippo pathway activity and CXCR2 signaling. Oncogene. 34, 5879-5889 (2015).
- Novoa, B., Figueras, A. Zebrafish: model for the study of inflammation and the innate immune response to infectious diseases. Adv Exp Med Biol. 946, 253-275 (2012).
- Kitamura, T., Qian, B. -. Z., Pollard, J. W. Immune cell promotion of metastasis. Nature Rev Immunol. 15 (2), 73-86 (2015).
- He, S., et al. Neutrophil-mediated experimental metastasis is enhanced by VEGFR inhibition in a zebrafish xenograft model. J Pathol. 227 (4), 431-445 (2012).
- Tulotta, C., et al. Inhibition of signaling between human CXCR4 and zebrafish ligands by the small molecule IT1t impairs the formation of triple-negative breast cancer early metastases in a zebrafish xenograft model. Dis Model Mech. 9 (2), 141-153 (2016).
- Renshaw, S. A., Loynes, C. A., Trushell, D. M. I., Elworthy, S., Ingham, P. W., Whyte, M. K. B. A transgenic zebrafish model of neutrophilic inflammation. Blood. 108 (13), 3976-3978 (2006).
- Berens, E. B., et al. Keratin-associated protein 5-5 controls cytoskeletal function and cancer cell vascular invasion. Oncogene. , (2016).
