Een robuust ontdekkingsplatform voor de identificatie van nieuwe mediatoren van melanoommetastase
Summary
Dit artikel beschrijft een workflow van technieken die worden gebruikt voor het testen van nieuwe kandidaat-mediatoren van melanoommetastase en hun werkingsmechanisme (s).
Abstract
Metastase is een complex proces waarbij cellen barrières moeten overwinnen die slechts onvolledig worden gemodelleerd door in vitro assays. Een systematische workflow werd opgezet met behulp van robuuste, reproduceerbare in vivo modellen en gestandaardiseerde methoden om nieuwe spelers in melanoommetastase te identificeren. Deze benadering maakt het mogelijk om gegevens in specifieke experimentele stadia te laten afleiden om de rol van een gen in metastase nauwkeurig te karakteriseren. Modellen worden vastgesteld door genetisch gemodificeerde melanoomcellen via intracardiale, intradermale of subcutane injecties in muizen te introduceren, gevolgd door monitoring met seriële in vivo beeldvorming. Zodra vooraf vastgestelde eindpunten zijn bereikt, worden primaire tumoren en/of metastasen-dragende organen geoogst en verwerkt voor verschillende analyses. Tumorcellen kunnen worden gesorteerd en onderworpen aan een van de verschillende ‘omics’-platforms, waaronder eencellige RNA-sequencing. Organen ondergaan beeldvorming en immunohistopathologische analyses om de totale last van metastasen te kwantificeren en hun specifieke anatomische locatie in kaart te brengen. Deze geoptimaliseerde pijplijn, inclusief gestandaardiseerde protocollen voor engraftment, monitoring, weefseloogst, verwerking en analyse, kan worden gebruikt voor patiënt-afgeleide, kortetermijnculturen en gevestigde menselijke en muizencellijnen van verschillende vaste kankertypen.
Introduction
De hoge mortaliteit geassocieerd met gemetastaseerd melanoom in combinatie met een toenemende incidentie van melanoom wereldwijd1 (een geschatte toename van 7,86% tegen 2025) vraagt om nieuwe behandelingsbenaderingen. Vooruitgang in doelontdekking hangt af van reproduceerbare modellen van metastase, een zeer complex proces. Gedurende de stappen van de gemetastaseerde cascade moeten melanoomcellen talloze barrières overwinnen om ontwijking van het immuunsysteem en kolonisatie van verre weefsels te bereiken2. De veerkracht en het aanpassingsvermogen van melanoomcellen komen voort uit een veelheid aan factoren, waaronder hun hoge genetische mutatielast3 en hun neurale crest-oorsprong, die cruciale fenotypische plasticiteitverlenen 3,4,5. Bij elke stap laten transcriptionele programma’s metastaserende melanoomcellen van de ene toestand naar de andere overschakelen op basis van signalen van de kruisverwijzing met de micro-omgeving, bestaande uit het immuunsysteem6, het extracellulaire milieu 7,8 en de cellulaire architectuur van fysieke barrières9 waarmee ze in contact komen. Melanoomcellen ontsnappen bijvoorbeeld aan immuunsurveillance door de expressie van belangrijke immuun-priming tumor-uitgescheiden factoren te downreguleren6.
Studies beschrijven een “premetastatische niche”, waarbij melanoomcellen chemokines en cytokines afscheiden om het verre “doel” -orgaan voor te bereiden op metastase10. Deze bevindingen roepen belangrijke vragen op over het orgaantropisme van gemetastaseerde melanoomcellen en de anatomische route die ze nemen om toegang te krijgen tot verre weefsels. Na intravasatie is bekend dat melanoomcellen uitzaaien via lymfevaten (lymfestelsel) en bloedvaten (hematogene verspreiding)2,11. Terwijl de meeste patiënten zich presenteren met gelokaliseerde ziekte, presenteert een kleine subset van gevallen zich met gemetastaseerde ziekte op afstand en geen lymfatische verspreiding (negatieve betrokkenheid van lymfeklieren)11, wat wijst op het bestaan van alternatieve gemetastaseerde routes voor melanoom.
Wanneer ze een gemetastaseerde site koloniseren, ondergaan melanoomcellen epigenetische en metabole aanpassingen12,13. Om toegang te krijgen tot nieuwe compartimenten en deze binnen te dringen, gebruiken melanoomcellen proteasen14 en cytoskeletale modificaties 11,15, waardoor ze naar hun nieuwe locatie kunnen reizen en groeien. De moeilijkheid bij het richten op melanoomcellen ligt in de complexiteit en het aantal van dergelijke aanpassingen; daarom moet het veld zich inspannen om experimenteel zoveel mogelijk stappen en aanpassingen na te bootsen. Ondanks talrijke vooruitgang in in vitro assays zoals organoïden en 3D-culturen16,17, vatten deze modellen de in vivo metastatische cascade slechts onvolledig samen.
Murine-modellen hebben waarde aangetoond door een balans te vinden tussen reproduceerbaarheid, technische haalbaarheid en simulatie van menselijke ziekten. Intravasculair, orthotopisch en heterotopisch geïmplanteerde melanoomcellen uit patiënt-afgeleide xenografts of kortetermijnculturen in immuungecompromitteerde of gehumaniseerde muizen vormen de ruggengraat van doelontdekking bij gemetastaseerd melanoom. Deze systemen missen echter vaak een cruciale biologische beperking op metastase: het immuunsysteem. Syngeneïsche melanoommetastasemodellen die deze beperking bezitten, zijn relatief schaars in het veld. Deze systemen, ontwikkeld in immunocompetente muizen, waaronder B16-F1018, de YUMM-familie van cellijnen19, SM120, D4M321, RIM322 of meer recent, de RMS23 en M1 (Mel114433), M3 (HCmel1274), M4 (B2905) 24 melanoomcellijnen, vergemakkelijken het onderzoek naar de complexe rol van de immuunrespons van de gastheer bij de progressie van melanoom.
Hier wordt een pijplijn voor melanoommetastase doelidentificatie gepresenteerd. Met toenemende en grotere ‘omics’-datasets die worden gegenereerd uit melanoompatiëntencohorten, stellen we dat studies met de meeste klinische beloftes die zijn die voortkomen uit big data-integratie, wat leidt tot nauwgezette functionele en mechanistische ondervraging 25,26,27,28. Door muismodellen te gebruiken om potentiële doelen in het metastatische proces te bestuderen, kan men rekening houden met in vivo-specifieke gebeurtenissen en weefselinteracties, waardoor de kans op klinische vertaling toeneemt. Meerdere methoden om gemetastaseerde belasting te kwantificeren worden geschetst, die aanvullende gegevens over de resultaten van een bepaald experiment opleveren. Een protocol voor eencellige isolatie van tumoren in verschillende organen wordt beschreven om de onbevooroordeelde karakterisering van genexpressie in gemetastaseerde cellen te ondersteunen, die vooraf kunnen gaan aan single-cell of bulk RNA-sequencing.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van dit technisch rapport is om een gestandaardiseerde, top-to-bottom workflow te bieden voor het onderzoek naar potentiële actoren in melanoommetastase. Omdat in vivo experimenten kostbaar en tijdrovend kunnen zijn, zijn strategieën om de efficiëntie te maximaliseren en de waarde van de verkregen informatie te verhogen van het grootste belang.
Het is absoluut noodzakelijk om overal complementaire benaderingen te gebruiken om bevindingen binnen hetzelfde experiment te cros…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken de afdeling Advanced Research Technologies (DART) van NYU Langone Health, en in het bijzonder het Experimental Pathology Research Laboratory, Genome Technology Center, Cytometry and Cell Sorting Laboratory, Pre-Clinical Imaging Core, die gedeeltelijk worden ondersteund door de Perlmutter Cancer Center Support Grant NIH / NCI 5P30CA016087. We bedanken de NYU Interdisciplinary Melanoma Cooperative Group (PI: Dr. Iman Osman) voor het bieden van toegang tot patiënt-afgeleide melanoom korte termijn culturen + (10-230BM en 12-273BM), die werden verkregen via IRB-goedgekeurde protocollen (Universal Consent studie #s16-00122 en Interdisciplinary Melanoma Cooperative Group studie # 10362). We danken Dr. Robert Kerbel (Universiteit van Toronto) voor het leveren van 113/6-4L en 131/4-5B1 melanoomcellijnen* en Dr. Meenhard Herlyn (Wistar Institute) voor het leveren van WM 4265-2, WM 4257s-1, WM 4257-2 melanoom op korte termijn**. E.H. wordt ondersteund door NIH / NCI R01CA243446, P01CA206980, een American Cancer Society-Melanoma Research Alliance Team Science Award en een NIH Melanoma SPORE (NCI P50 CA225450; PI: I.O.). Figuur 1 is gemaakt met Biorender.com.
Materials
| #15 Scapel Blade | WPI | 500242 | For surgical procedures |
| #3 Scapel Handle | WPI | 500236 | For surgical procedures |
| 1 mL Tuberculin syringe, slip tip | BD | 309626 | Injections |
| 10 mL syringe, slip tip | BD | 301029 | Perfusion |
| 10% Formalin Sodium Buffered | EK Industries | 4499-20L | For perfusion/tissue fixative |
| 15 mL Conical | Corning | 430052 | Cell culture |
| 15 mL Conical Polypropylene Centrifuge Tubes | Falcon | 352196 | Cell culture |
| 200 Proof Ethanol | Deacon Labs | 04-355-223 | Histology |
| 22G – 22mm needle | BD | 305156 | Perfusion |
| 4-0 Vicryl Suture | Ethicon | J464G | Suture |
| 4% Carson's phosphate buffered paraformaldehyde | EMS | 15733-10 | For perfusion/tissue fixative |
| 40µm | Corning | 431750 | Tissue processing |
| 5-0 Absorbable Suture | Ethicon | 6542000 | Closure |
| 50 mL Conical | Corning | 430828 | Cell culture |
| 50mL Conical Polypropylene Centrifuge Tubes | Falcon | 352070 | Cell culture |
| 7-0 Silk suture | FST | 18020-70 | Ligature |
| 70µm | Corning | 431751 | Tissue processing |
| Anti-fade mounting media | Vector Labs | H-1000-10 | Immunofluorescence |
| Approximator applying Forceps, 10cm | WPI | 14189 | For microsurgical procedures |
| Avance | Bruker | 3 HD | NMR Console |
| Biospec 7030 | Bruker | 7030 | Micro MRI |
| BSA | Bioreg | A941 | NuMA Staining |
| Castroviejo suturing forceps, straight tips 5.5mm tying platform, 11cm | WPI | WP5025501 | For microsurgical procedures |
| Coplin Staining Jar | Bel-Art | F44208-1000 | Histology |
| DAPI | Sigma-Aldrich | D9542-1MG | Immunofluorescence |
| dCas9-KRAB | Addgene | 110820 | Genetic manipulation |
| DNase I | NEB | M0303L | Tissue processing |
| DPBS | Corning | 21-030-CM | Tissue processing |
| Extra Sharp Uncoated Single Edge Blade | GEM | 62-0167 | Tissue processing |
| Extracellular Matrix Substrate | Corning | 354234 | Consider the Growth Factor Reduced ( as alternative |
| FBS | Cytiva | SH30910.03 | Cell culture |
| Fiji Image J | Fiji Image J | Software | Immunofluorescence |
| Goat anti-rabbit HRP conjugated multimer | Thermo Fisher | A16104 | NuMA Staining |
| Goat Serum | Gibco | PCN5000 | Immunofluorescence |
| HBSS | Corning | 21-020-CV | Tissue processing |
| Hematoxylin | Richard-Allan Scientific | 7231 | Histology |
| Illumina III | PerkinElmer | CLS136334 | BLI Instrument |
| Insulin syringe 28G – 8mm needle | BD | 329424 | Injections |
| Insulin syringe 31G – 6mm needle | BD | 326730 | Injections |
| Iris Forceps, 10.2cm, Full Curve, serrated | WPI | 504478 | For perfusion and surgical procedures |
| Isoflurane USP | Covetrus | 11695067772 | Anesthesia |
| Jewelers #7 Forceps Titanium 11 cm 0.07 x 0.01 mm Tip | WPI | WP6570 | For microsurgical procedures |
| Ketamine HCl 100mg/mL | Mylan Ind. | 1049007 | Anesthesia |
| lentiCRISPRv2 | Addgene | 98290 | Genetic manipulation |
| Lycopersicon Esculentum (Tomato) Lectin, DyLight 649 | Invitrogen | L32472 | Vascular endothelial cells marker |
| MEM non-essential amino acids X 100 | Corning | 25-025-CI | Cell culture |
| Metzenbaum Scissors | WPI | 503269 | For surgical procedures |
| Microinjection Unit | KOPF | 5000 | Intracardiac injections |
| NaCl | Fisher | S25877 | NuMA Staining |
| Needle 30G x 25mm | BD | 305128 | Intracardiac Injection |
| Needle 33G x 15mm | Hamilton | 7747-01 | Intracarotid Injection |
| Needle holder, Castroviejo, 14cm, with lock, 1.2mm Serrated Jaws | WPI | 14137-G | For microsurgical procedures |
| NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ mice | The Jackson Laboratory | 005557 | Murine model |
| NU/J mice | The Jackson Laboratory | 002019 | Murine model |
| Nuclear Mitotic Apparatus Protein polyclonal rabbit anti-human | Abcam | 97585 | NuMA Staining |
| Penicillin-Streptomycin 10000U/mL | Gibco | 15140122 | Cell culture |
| Percoll | GE | 0891-01 | density separation solution |
| PI Classic Surgical Gloves | Cardinal Health | 2D72PT75X | Surgery |
| pLKO Tet-On | Addgene | 21915 | Genetic manipulation |
| Povidone-Iodine 10% Solution | Medline | MDS093943 | Surgery |
| Proparacaine Drops 0.5% | Akorn Pharma | AX0501 | Opthalmic local anesthetic |
| Puralube Petrolatum Opthalmic Ointment | Dechra | 83592 | Anesthesia |
| Razor Blade Double Edge Blades | EMS | 72000 | Shaving and Vibrotome Brain Slicing |
| Reflex 9mm EZ Clip | Braintree | EZC- KIT | Wound closure |
| RPMI 1640 | Corning | 10-040-CM | Cell culture |
| Scissors, Spring 10.5cm Str, 8mm Blades | WPI | 501235 | For microsurgical procedures |
| Semi-Automatic Vibrating Blade Microtome | Leica | VT1200 | Brain Slice Immunofluorescence |
| Single Channel Anesthesia Vaporizer System | Kent Scientific | VetFlo-1210S | Anesthesia |
| Smartbox Tabletop Chamber System and Exhaust Blower | EZ Systems | TT4000 | CO2 Euthanasia |
| Sterile Fenestrated Disposable Drape | Medline | NON21002 | Surgery |
| Sterile Non-Reinforced Aurora Surgical Gowns with Set-In Sleeves | Medline | DYNJP2715 | Surgery |
| T25 Flask | Corning | 430639 | Cell culture |
| Tris | Corning | 46-031-CM | NuMA Staining |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-500ML | Immunofluorescence |
| Troutman tying forceps, 10cm, Curved G pattern, 0.52mm tip with tying platform | WPI | WP505210 | For microsurgical procedures |
| Vessel clips 10G Pressure 5x 0.8mm Jaws, 5/pkg | WPI | 15911 | For microsurgical procedures |
| Visiopharm | Visiopharm | Visiopharm | NuMA Staining Quantification Software |
| Xylasine 100mg/mL | Akorn Pharma | 59399-111-50 | Anesthesia |
| Xylene | Fisher | X3P-1GAL | Histology |
References
- Sung, H., et al. Global Cancer Statistics 2020: GLOBOCAN Estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA: A Cancer Journal for Clinicians. 71 (3), 209-249 (2021).
- Adler, N. R., Haydon, A., McLean, C. A., Kelly, J. W., Mar, V. J. Metastatic pathways in patients with cutaneous melanoma. Pigment Cell Melanoma Research. 30 (1), 13-27 (2017).
- Platz, A., Egyhazi, S., Ringborg, U., Hansson, J. Human cutaneous melanoma; a review of NRAS and BRAF mutation frequencies in relation to histogenetic subclass and body site. Molecular Oncology. 1 (4), 395-405 (2008).
- Alonso, S. R., et al. A high-throughput study in melanoma identifies epithelial-mesenchymal transition as a major determinant of metastasis. Cancer Research. 67 (7), 3450-3460 (2007).
- Rowe, C. J., Khosrotehrani, K. Clinical and biological determinants of melanoma progression: Should all be considered for clinical management. Australasian Journal of Dermatology. 57 (3), 175-181 (2016).
- Plebanek, M. P., et al. Pre-metastatic cancer exosomes induce immune surveillance by patrolling monocytes at the metastatic niche. Nature Communications. 8 (1), 1319 (2017).
- Orgaz, J. L., et al. Loss of pigment epithelium-derived factor enables migration, invasion and metastatic spread of human melanoma. Oncogene. 28 (47), 4147-4161 (2009).
- Ladhani, O., Sanchez-Martinez, C., Orgaz, J. L., Jimenez, B., Volpert, O. V. Pigment epithelium-derived factor blocks tumor extravasation by suppressing amoeboid morphology and mesenchymal proteolysis. Neoplasia. 13 (7), 633-642 (2011).
- Ju, R. J., Stehbens, S. J., Haass, N. K. The role of melanoma cell-stroma interaction in cell motility, invasion, and metastasis. Frontiers in Medicine – Dermatology. 5, 307 (2018).
- Wiley, H. E., Gonzalez, E. B., Maki, W., Wu, M. T., Hwang, S. T. Expression of CC chemokine receptor-7 and regional lymph node metastasis of B16 murine melanoma. Journal of the National Cancer Institute. 93 (21), 1638-1643 (2001).
- Meier, F., et al. Metastatic pathways and time courses in the orderly progression of cutaneous melanoma. British Journal of Dermatology. 147 (1), 62-70 (2002).
- Turner, N., Ware, O., Bosenberg, M. Genetics of metastasis: melanoma and other cancers. Clinical & Experimental Metastasis. 35 (5-6), 379-391 (2018).
- Ubellacker, J. M., et al. Lymph protects metastasizing melanoma cells from ferroptosis. Nature. 585 (7823), 113-118 (2020).
- Cukierman, E., Pankov, R., Stevens, D. R., Yamada, K. M. Taking cell-matrix adhesions to the third dimension. Science. 294 (5547), 1708-1712 (2001).
- Cunningham, C. C., et al. Actin-binding protein requirement for cortical stability and efficient locomotion. Science. 255 (5042), 325-327 (1992).
- Unger, C., et al. Modeling human carcinomas: physiologically relevant 3D models to improve anti-cancer drug development. Advanced Drug Delivery Reviews. 79-80, 50-67 (2014).
- Fong, E. L., Harrington, D. A., Farach-Carson, M. C., Yu, H. Heralding a new paradigm in 3D tumor modeling. Biomaterials. 108, 197-213 (2016).
- Nakamura, K., et al. Characterization of mouse melanoma cell lines by their mortal malignancy using an experimental metastatic model. Life Science. 70 (7), 791-798 (2002).
- Meeth, K., Wang, J. X., Micevic, G., Damsky, W., Bosenberg, M. W. The YUMM lines: a series of congenic mouse melanoma cell lines with defined genetic alterations. Pigment Cell Melanoma Research. 29 (5), 590-597 (2016).
- Koya, R. C., et al. BRAF inhibitor vemurafenib improves the antitumor activity of adoptive cell immunotherapy. Cancer Research. 72 (16), 3928-3937 (2012).
- Jenkins, M. H. Multiple murine BRaf(V600E) melanoma cell lines with sensitivity to PLX4032. Pigment Cell Melanoma Research. 27 (3), 495-501 (2014).
- Tuncer, E., et al. SMAD signaling promotes melanoma metastasis independently of phenotype switching. The Journal of Clinical Investigation. 129 (7), 2702-2716 (2019).
- Schwartz, H., et al. Incipient Melanoma Brain Metastases Instigate Astrogliosis and Neuroinflammation. Cancer Research. 76 (15), 4359-4371 (2016).
- Perez-Guijarro, E., et al. Multimodel preclinical platform predicts clinical response of melanoma to immunotherapy. Nature Medicine. 26 (5), 781-791 (2020).
- Krepler, C., et al. A Comprehensive Patient-Derived Xenograft Collection Representing the Heterogeneity of Melanoma. Cell Reports. 21 (7), 1953-1967 (2017).
- Agrawal, P., et al. A systems biology approach identifies FUT8 as a driver of melanoma metastasis. Cell. 31 (6), 804-819 (2017).
- Hanniford, D., et al. Epigenetic silencing of CDR1as drives IGF2BP3-mediated melanoma invasion and metastasis. Cancer Cell. 37 (1), 55-70 (2020).
- Kim, H., et al. PRMT5 control of cGAS/STING and NLRC5 pathways defines melanoma response to antitumor immunity. Science Translational Medicine. 12 (551), (2020).
- de Miera, E. V., Friedman, E. B., Greenwald, H. S., Perle, M. A., Osman, I. Development of five new melanoma low passage cell lines representing the clinical and genetic profile of their tumors of origin. Pigment Cell Melanoma Research. 25 (3), 395-397 (2012).
- Morsi, A., et al. Development and characterization of a clinically relevant mouse model of melanoma brain metastasis. Pigment Cell Melanoma Research. 26 (5), 743-745 (2013).
- Huynh, C., et al. Efficient in vivo microRNA targeting of liver metastasis. Oncogene. 30 (12), 1481-1488 (2011).
- Zou, C., et al. Experimental variables that affect human hepatocyte AAV transduction in liver chimeric mice. Molecular Therapy Methods and Clinical Development. 18, 189-198 (2020).
- Kleffman, K., et al. Melanoma-secreted Amyloid Beta Suppresses Neuroinflammation and Promotes Brain Metastasis. bioRxiv. , 854885 (2019).
- Curtis, A., Calabro, K., Galarneau, J. R., Bigio, I. J., Krucker, T. Temporal variations of skin pigmentation in C57BL/6 mice affect optical bioluminescence quantitation. Molecular Imaging and Biology. 13 (6), 1114-1123 (2011).
- Sil, P., Wong, S. W., Martinez, J. More than skin deep: autophagy is vital for skin barrier function. Frontiers in Immunology. 9, 1376 (2018).
- Chen, S., et al. Genome-wide CRISPR screen in a mouse model of tumor growth and metastasis. Cell. 160 (6), 1246-1260 (2015).
- Hart, T., et al. High-resolution CRISPR screens reveal fitness genes and genotype-specific cancer liabilities. Cell. 163 (6), 1515-1526 (2015).
- Wang, T., et al. Identification and characterization of essential genes in the human genome. Science. 350 (6264), 1096-1101 (2015).
- Edgar, R., Domrachev, M., Lash, A. E. Gene Expression Omnibus: NCBI gene expression and hybridization array data repository. Nucleic Acids Research. 30 (1), 207-210 (2002).
- Lappalainen, I., et al. The European Genome-phenome Archive of human data consented for biomedical research. Nature Genetics. 47 (7), 692-695 (2015).
- Cerami, E., et al. The cBio cancer genomics portal: an open platform for exploring multidimensional cancer genomics data. Cancer Discovery. 2 (5), 401-404 (2012).
- Grossman, R. L., et al. Toward a shared vision for cancer genomic data. New England Journal of Medicine. 375 (12), 1109-1112 (2016).
