कैंसर स्टेम सेल को लक्षित करने के लिए एंटी-नोप्लास्टिक दवा स्क्रीनिंग के लिए फिजियोलॉजी रोगी व्युत्पन्न 3 डी स्फिरॉइड्स
Summary
इस प्रोटोकॉल में रोगी व्युत्पन्न स्फीरोइड की पीढ़ी का वर्णन किया गया है, और दवा का आकलन करने के लिए, प्रसार, साइटोटॉक्सिसिटी परीक्षण, प्रवाह साइटोमेट्री, इम्यूनोफ्लोरेसेंस धुंधला और कॉन्फोकल इमेजिंग के परिमाणीकरण सहित डाउनस्ट्रीम विश्लेषण का वर्णन किया गया है। विरोधी neoplastic चिकित्सा के रूप में उम्मीदवारों की क्षमता. इस प्रोटोकॉल प्रत्येक रोगी और रोग के चरण के लिए विशिष्ट दवाओं की पहचान के साथ सटीक दवा का समर्थन करता है।
Abstract
इस प्रोटोकॉल में, हम 384-अच्छी तरह से फांसी बूंदों के भीतर ट्यूमर अफलोइड के उत्पादन के लिए प्रक्रिया की रूपरेखा के लिए एक शारीरिक प्रतिनिधि microenvironment में विरोधी कैंसर चिकित्सकीय के उच्च throughput स्क्रीनिंग के लिए अनुमति देते हैं. हम रोगी व्युत्पन्न कैंसर स्टेम सेल गोलोइड के गठन की रूपरेखा, साथ ही, दवा उपचार के बाद पूरी तरह से विश्लेषण के लिए इन गोलोइड के हेरफेर. विशेष रूप से, हम गोलोइड आकारिकी, प्रसार, व्यवहार्यता, दवा विषाक्तता, सेल phenotype और सेल स्थानीयकरण डेटा के संग्रह का वर्णन. इस प्रोटोकॉल विश्लेषण तकनीक है कि आसानी से 384 अच्छी तरह से फांसी ड्रॉप मंच का उपयोग कर लागू कर रहे हैं पर भारी केंद्रित है, यह उच्च थ्रूपुट दवा स्क्रीनिंग के लिए आदर्श बना रही है. जबकि हम डिम्बग्रंथि के कैंसर के अध्ययन और कैंसर स्टेम सेल अनुसंधान में इस मॉडल के महत्व पर जोर, 384 अच्छी तरह से मंच अन्य कैंसर प्रकार और रोग मॉडल के अनुसंधान के लिए अनुकूल है, कई क्षेत्रों के लिए मंच की उपयोगिता का विस्तार. व्यक्तिगत दवा स्क्रीनिंग की गति और आसानी से कार्यान्वित शारीरिक प्रतिनिधि 3 डी संस्कृतियों के माध्यम से स्क्रीनिंग परिणामों की गुणवत्ता में सुधार करके, इस मंच के लिए नई चिकित्सा और रोगी विशेष के विकास में सहायता की भविष्यवाणी की है उपचार रणनीतियों, और इस प्रकार व्यापक नैदानिक प्रभाव पड़ता है.
Introduction
दुनिया भर में कैंसर से संबंधित मृत्यु 20181में 9.8 मिलियन मौतों की संख्या तक पहुंच गई, जिसमें उन्नत चिकित्सा विज्ञान के विकास की आवश्यकता पर प्रकाश डाला गया। दुर्भाग्य से, कैंसर दवाओं के विकास की लागत बढ़ रही है, लगभग 650 मिलियन अमरीकी डालर2 लागत एक ही दवा के विकास के साथ नए विरोधी कैंसर दवाओं को विकसित करने के लिए बेहतर रणनीतियों के लिए की आवश्यकता का संकेत. कैंसर स्टेम सेल (CSCs), जो वृद्धि हुई chemoresistance3की विशेषता है, स्वयं को नवीनीकृत करने की क्षमता, और नए ट्यूमर बीज करने की क्षमता4 ट्यूमर पुनरावृत्ति के लिए जिम्मेदार माना जाता है4, मेटास्टेसिस5, और chemoresistance4,6, जो सभी ट्यूमर की घातक क्षमता में योगदान और इस प्रकार उच्च मरने वालों की संख्या. डिम्बग्रंथि के कैंसर में, इन कोशिकाओं peritoneal गुहा में घातक जलोदर तरल पदार्थ में समृद्ध पाए जाते हैं, गरीब नैदानिक परिणामों1के साथ जुड़े एक शर्त. सीएससी की घातक क्षमताओं का एक परिणाम के रूप में, पारंपरिक chemotherapies के साथ संयोजन के रूप में उपयोग करने के लिए नए सीएससी लक्ष्यीकरण दवाओं को विकसित करने के लिए एक धक्का दिया गया है। वहाँ कई चुनौतियों है कि सहित सीएससी लक्ष्यीकरण दवाओं के विकास के साथ कर रहे हैं: 1) विस्तार और इन विट्रो में सीएससी बनाए रखने में कठिनाई; 2) रोगी के नमूनों की कमी; 3) संस्कृति मंच की शारीरिक प्रासंगिकता; और 4) रोगियों के बीच दवा संवेदनशीलता में विषमता। इस प्रोटोकॉल एक उच्च थ्रूपुट 3 डी संस्कृति मंच है कि इन चुनौतियों में से प्रत्येक को दूर कर सकते हैं के कार्यान्वयन की रूपरेखा. विशेष रूप से, इस प्रणाली के रोगी व्युत्पन्न डिम्बग्रंथि CSCs की छोटी संख्या का उपयोग कर तेजी से दवा स्क्रीनिंग के लिए अनुमति देता है, और अत्यधिक बहाव विश्लेषण तकनीकों के लिए अनुकूल है. जबकि डिम्बग्रंथि के कैंसर और सीएससी के अध्ययन के लिए आदर्श, हमारे मंच भी जटिल 3 डी वातावरण में अन्य कैंसर और विभेदित सेल प्रकार के अध्ययन में मूल्यवान है.
जटिल 3 आयामी (3 डी) मॉडल ट्यूमर microenvironment (TME) है, जो एक 3 डी आला कैंसर कोशिकाओं से बना है, गैर कैंसर का समर्थन कोशिकाओं, और extracellular मैट्रिक्स (ECM) प्रोटीन4के अध्ययन में महत्वपूर्ण हैं. इस 3 डी पर्यावरण अद्वितीय सेल आकारिकी, सेल सेल और सेल मैट्रिक्स बातचीत, सेल भेदभाव, सेल प्रवास, सेल घनत्व, और प्रसार gradients में परिणाम इन विट्रो4में पारंपरिक 2 डी सेल संस्कृति की तुलना में. इन सभी कारकों 3 डी संस्कृतियों के भीतर अंतर दवा प्रतिक्रिया में समापन, वृद्धि हुई दवा प्रतिरोध और शारीरिक प्रासंगिकता7,8का प्रदर्शन . सीएससी भेदभाव और chemoresistance में 3 डी TME की भूमिका के कारण, यह शारीरिक microenvironments में दवाओं को लक्षित सीएससी के लिए स्क्रीन करने के लिए महत्वपूर्ण है। सीएससी दवा स्क्रीनिंग प्लेटफार्मों की शारीरिक प्रासंगिकता में सुधार रोगी विशिष्ट दवा स्क्रीनिंग, दवा विकास, उपचार रणनीतियों के निर्माण, और अंततः नैदानिक परिणामों में सुधार करने की क्षमता है। यह भी उतना ही महत्वपूर्ण है कि दवा स्क्रीनिंग के लिए इस्तेमाल किया मंच उच्च throughput और डाउनस्ट्रीम विश्लेषण तरीकों के साथ संगत हो लागत, समय, और होनहार दवाओं के नैदानिक अनुवाद समय को कम करने के लिए9.
वर्तमान में, जटिल TME सबसे अच्छा इस तरह के murine syngeneic ट्यूमर मॉडल के रूप में विवो मॉडल में के माध्यम से दवा स्क्रीनिंग अनुप्रयोगों के लिए बनाए रखा है, सेल लाइन व्युत्पन्न xenografts, और रोगी व्युत्पन्न xenograft (PDX) मॉडल12, के रूप में वे शारीरिक प्रदान शर्तों. हालांकि, इन मॉडलों के कम throughput प्रकृति, साथ ही, लागत, समय, और तकनीकी कौशल सेट है कि वे तेजी से, उच्च थ्रूपुट दवा स्क्रीनिंग अनुप्रयोगों13में अपनी उपयोगिता सीमा की आवश्यकता होती है. विवो मॉडल में इन के लिए विकल्प के रूप में, कई इन विट्रो 3 डी मॉडल hydrogels8का उपयोग, microfluidic उपकरणों के भीतर संस्कृति या ‘ऑर्गन-ऑन-ए-चिप’ उपकरणों10,14, और गैर-अनुकूल संस्कृतियों3,8 लागत, समय, और आवश्यक skillset के मामले में प्रवेश के लिए उनके कम बाधा के कारण भी विकसित किया गया है.
hydrogel संस्कृति प्लेटफार्मों मैट्रिक्स संरचना, यांत्रिक गुण, और मैट्रिक्स संरचना15पर afforded ठीक नियंत्रण में फायदेमंद होते हैं; हालांकि, वे उच्च घनत्व सेल संस्कृति14को बाधित कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, hydrogels से कटाई कोशिकाओं बहाव विश्लेषण जटिल हो सकता है, कटाई के तरीकों के संभावित हानिकारक प्रभावों के कारण15. दूसरी ओर, Microfluidic उपकरणों, microscale उपकरणों है कि एक ही डिवाइस के भीतर और अभिकर्मकों की कम से कम खपत के साथ शारीरिक रूप से प्रासंगिक तराजू पर सेल संस्कृति के लिए उत्पादन का पता लगाने के लिए अनुमति देते हैं, प्रतिक्रिया समय में कमी आई, कम से कम अपशिष्ट, और तेजी से प्रसार14| इन विशेषताओं उन्हें दवा विषाक्तता की जांच के लिए मंच का वादा करते हैं, प्रभावकारिता, और फार्माकोकाइनेटिक्स. हालांकि, कुशल, परिमाणात्मक, reproduible, और उपयोगकर्ता के अनुकूल 3 डी सेल संस्कृति की चुनौतियों, साथ ही, भारी और महंगा पम्पिंग सिस्टम उच्च throughput अनुसंधान10में microfluidic अनुप्रयोगों को प्रतिबंधित किया है. कुशल पता लगाने की व्यवस्था और क्षेत्रों में संभावित रूप से कठिन कार्यान्वयन ने भी माइक्रोफ्लूइडिक प्रणालियों10को व्यापक रूप से अपनाने में बाधा पहुंचाई है .
इसके विपरीत, मिक्सर (न्यूटर), अल्ट्रा-कम अटैचमेंट प्लेट, और हैंगिंग बूंदों को उपयोगकर्ता-निर्धारित मैट्रिक्स घटकों को शामिल नहीं करते हैं, घूर्णन में गैर-अनुकूल स्थितियों में उत्पन्न गोलभों में शामिल नहीं हैं। ये पद्धतियां विशेष रूप से डिम्बग्रंथि के कैंसर का अध्ययन करने के लिए प्रासंगिक हैं क्योंकि गैर-अनुकूल स्थितियां उन परिस्थितियों के प्रतिनिधि हैं जिनमें उप-मंडल गुहा5के भीतर स्फीभ बढ़ते हैं। इन गैर-अनुकूल संस्कृति विधियों के भीतर, पोषक और फांसी ड्रॉप स्रूपॉइड अल्ट्रा-लो लगाव प्लेटों में उत्पन्न गोलोइड की तुलना में उच्च संहनन, remodeling, और chemoresistance प्रदर्शन करने के लिए दिखाया गया है, वृद्धि हुई शारीरिक सुझाव प्रासंगिकता16,17,18,19. छोटे अच्छी तरह से आकार और कम से कम आवश्यक सेल नंबर से उच्च थ्रूपुट स्क्रीनिंग के लिए क्षमता में वृद्धि के कारण, फांसी ड्रॉप प्लेटों में अफ़ग़ाइड पीढ़ी दवा स्क्रीनिंग के लिए एक आदर्श मंच है। यहाँ, हम 384-अच्छी तरह से फांसी ड्रॉप प्लेटों में एक टूनाबल 3 डी शारीरिक मंच पेश करते हैं, जो लागू करने में आसान है और डाउनस्ट्रीम विश्लेषण के लिए अत्यधिक अनुकूल है, जिससे डिम्बग्रंथि के कैंसर और डिम्बग्रंथि सीएससी की उच्च थ्रूपुट दवा स्क्रीनिंग के लिए आदर्श बनता है।
हमारे 3 डी शारीरिक मंच शारीरिक सेल संपर्क, प्रसार ढाल, सेल घनत्व, और स्वाभाविक रूप से उत्पादित ईसीएम प्रोटीन, जो यथार्थवादी दवा प्रतिक्रियाओं के लिए योगदान कर सकते हैं सहित 3 डी संस्कृति के लाभ के सभी प्रदान करता है16, 17,18,19. इसके अतिरिक्त, रोगी व्युत्पन्न सीएससी के साथ इन गोलोइड पैदा करके, हम कई तकनीकी प्रतिकृति के साथएक साथ दवाओं के लिए रोगी विशिष्ट प्रतिक्रियाओं का निर्धारण करने में सक्षम हैं, विषमता है कि रोगी ट्यूमर के भीतर पाया जा सकता है पर काबू पाने के लिए नमूने20| इसके अलावा, 3 डी संस्कृति सीएससी आबादीकेरखरखाव को बढ़ाने के लिए दिखाया गया है 3,16 और इस प्रकार जलोदर7में समृद्ध सीएससी आबादी का प्रतिनिधि है . यह व्यवहार्यता और सीएससी अनुपात के प्रवाह साइटोमेट्री विश्लेषण सहित आसान डाउनस्ट्रीम विश्लेषण के साथ संयुक्त, दवा प्रभावकारिता को लक्षित सीएससी के इष्टतम मूल्यांकन के लिए अनुमति देता है। अंत में, इस शारीरिक मंच प्रयोग के दौरान कई समय बिंदुओं पर इमेजिंग के साथ संगत है, सेल मौत और प्रसार का मूल्यांकन, सेल संगठन और इम्यूनोहिस्टोकेमिस्ट्री के साथ आकृति विज्ञान, वातानुकूलित पर एलिसा के साथ घुलनशील संकेत मध्यम, प्रवाह साइटोमेट्री के साथ सेल phenotypes, और पीसीआर के बाद जीन अभिव्यक्ति.
Protocol
Representative Results
Discussion
3 डी spheroid गठन के लिए 384 अच्छी तरह से फांसी ड्रॉप प्लेट मंच किसी भी सेल जीव विज्ञान या कैंसर जीव विज्ञान प्रयोगशालाओं के लिए एक आसानी से लागू उपकरण है. यह शारीरिक मंच सेल लाइनों के अध्ययन में सक्षम बनाता है, स?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम मुख्य रूप से DOD OCRP अर्ली कैरियर अन्वेषक पुरस्कार W81XWH-13-1-0134 (जीएम), DOD पायलट पुरस्कार W81XWH-16-1-0426 (जीएम), DOD अन्वेषक शुरू पुरस्कार W81XWH-17-OCRP-IIRA (जीएम), डिम्बग्रंथि कैंसर और मिशिगन डिम्बग्रंथि के लिए Rivkin केंद्र द्वारा समर्थित है संधि. इस प्रकाशन में रिपोर्ट अनुसंधान पुरस्कार संख्या P30CA046592 के तहत स्वास्थ्य के राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान के राष्ट्रीय कैंसर संस्थान द्वारा समर्थित किया गया था. सीएमएन को ग्रांट नंबर के तहत नेशनल साइंस फाउंडेशन ग्रेजुएट रिसर्च फेलोशिप का समर्थन 1256260 MEB राष्ट्रीय आवश्यकता (GAANN) फैलोशिप के क्षेत्रों में शिक्षा स्नातक सहायता विभाग द्वारा समर्थित है.
Materials
| 0.25% trypsin-EDTA | Gibco | ILT25200056 | |
| 10 mL serological pipet | Fisher Scientific | 13-678-11E | |
| 10,000 cSt Si oil | Millipore Sigma | 63148-62-9 | Used to coat spheroid array mold to facilitate removal of tissue processing gels, like Histogel, from the mold. |
| 100 mm tissue culture dish | Thermo Scientific | 130182 | |
| 15 ml conical tube | Celltreat | FL4021 | |
| 1X DMEM for Serum Free Medium | Gibco | 11965-092 | |
| 1X F12 for Serum Free Medium | Gibco | 11765-054 | |
| 1X phosphate buffered saline (PBS) | Gibco | ILT10010023 | |
| 4’,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Thermo Fisher | D1306 | |
| 40 µm filter | Fisher Scientific | 22363547 | |
| 6-well plate | Fisher Scientific | 353046 | |
| Accutase | Innovative Cell Technologies Inc. | 1449 | A gentle cell detachment enzyme composed of proteolytic and collagenolytic enzymes. |
| ACK Lysing Buffer | Thermo Scientific | A1049201 | |
| alamarBlue | Invitrogen | DAL1025 | Resazurin dye used to measure viability and proliferation of cells based on their ability to reduce resazurin to resorufin, which is highly fluorescent. |
| ALDEFLUOR assay kit | Stem Cell Tech | 1700 | Kit to identify stem and progenitor cells that express high levels of aldehyde dehydrogenase , an indicator of cancer stem cells. The kit is composed of ALDEFLUOR Reagent, DEAB, Hydrochloric Acid, Dimethylsulphoxide, and ALDEFLUOR Assay Buffer. |
| ALDEFLUOR Diethylaminobenzaldehyde (DEAB) | Stem Cell Tech | 1705 | Diethylaminobenzaldehyde (DEAB) is an inhibitor of ALDH isozymes, used to determine non-specific ALDH staining. |
| Andor iXon x3 CCD Camera | Oxford Instruments | – | |
| Antibiotics and Antimycotics | Gibco | 15240-062 | |
| APC-isotype IgG2b | Miltenyi biotec | 130-092-217 | Isotype control to quantify non-specific staining of IgG2b antibodies. |
| B27 Supplement | Gibco | 17504044 | |
| basic Fibroblast Growth Factor | Stem Cell Technologies | 78003.1 | |
| BD Lo-Dose U-100 Insulin Syringes | Fisher Scientific | 14-826-79 | |
| BioTek Synergy HT Microplate Reader | BioTek | 7091000 | |
| CD133-APC | Miltenyi biotec | 130-113-184 | Fluorescent antibody targeting CD133, a cancer stem cell marker. |
| cellSens Dimension Software | Olympus | ||
| Cisplatin | Sigma-Aldrich | P4394 | Platinum based chemotherapy agent that functions as an alkylating agent that disrupts DNA. |
| DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) | Invitrogen | D1306 | |
| Epidermal Growth Factor | Gibco | PHG0311 | |
| EVOS XL Core Cell Imaging System | Life Technologies | AME3300 | |
| Fetal Bovine Serum – premium (FBS) | Atlanta Biologicals | S11150 | |
| Ficoll 400 | Sigma-Aldrich | F4375 | |
| Hemacytometer | Hausser Scientific | 1490 | |
| Histogel | Thermo Scientific | HG-4000-012 | Tissue processing gel that can penetrate and hold the specimen within the gel while preventing discoloration around the specimen upon staining. |
| Human Adipose-Derived Mesenchymal Stem Cells | Lonza | PT-5006 | |
| Human Microvascular Endothelial Cells | Lonza | CC2543 | |
| Insulin-Transferrin-Selenium Supplement | Gibco | 51500-056 | |
| Live/Dead viability kit | Invitrogen | L3224 | Kit for the fluorescence based detection of live (calcein-AM) and dead cells (Ethidium Homodimer-1). |
| MEM Non-essential Amino Acids | Gibco | 11140-050 | |
| MetaMorph 7.8 Software | Molecular Devices | – | |
| Olympus IX81 Inverted Confocal Microscope | Olympus | – | |
| Olympus IX83 Research Inverted Microscope | Olympus | ||
| Parafilm M | Thomas Scientific | 7315D35 | Thermoplastic polymer strips that serve to limit droplet evaporation in hanging drop plates while still allowing for gas exchange. |
| Perfecta 3D 384 Well Hanging Drop Plates | 3D Biomatrix | HDP1384-8 | Available through Sigma-Aldrich |
| phalloidin AlexaFluor488 | Invitrogen | A12379 | Phalloidin is a peptide to fluorescently label F-actin in fixed cells. |
| ProJet 3500 HD Max | 3D Systems | – | 3D printer |
| Sterile DI water | Fisher Scientific | 353046 | |
| Trypan Blue | Gibco | 15250061 | Azo dye used to differentiate between live and dead cells based on its ability to pass through the damaged membrane of dead cells, but not the intact membrane of live cells. |
| VisiJet M3 Crystal | 3D Systems | – | A biocompatible polymer material for 3D printing. |
| Yokogawa CSU-X1 Confocal Scanner Unit | Yokogawa | – |
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