Der CAM-Delam-Assay zur Bewertung der metastasierenden Kapazität von Krebszellen ist relativ schnell, einfach und kostengünstig. Die Methode kann zur Entschlüsselung der molekularen Mechanismen, die die Metastasenbildung regulieren, und zum Drogenscreening eingesetzt werden. Ein optimierter Assay zur Analyse menschlicher Tumorproben könnte eine klinische Methode zur personalisierten Krebsbehandlung sein.
Die Hauptursache für krebsbedingte Todesfälle ist die Metastasenbildung (d. H. Wenn sich Krebszellen vom Primärtumor auf entfernte Organe ausbreiten und Sekundärtumoren bilden). Delamination, definiert als der Abbau der Basallamina und der Basalmembran, ist der anfängliche Prozess, der die Transmigration und Ausbreitung von Krebszellen auf andere Gewebe und Organe erleichtert. Die Bewertung der Delaminationskapazität von Krebszellen würde das metastatische Potenzial dieser Zellen anzeigen.
Wir haben eine standardisierte Methode entwickelt, den ex ovo CAM-Delam Assay, um die Fähigkeit von Krebszellen, sich zu delaminieren und einzudringen, zu visualisieren und zu quantifizieren und so die metastatische Aggressivität beurteilen zu können. Kurz gesagt, die CAM-Delam-Methode beinhaltet die Aussaat von Krebszellen in Silikonringen auf der chorioallantoischen Membran (CAM) des Kükens am 10. Embryonaltag, gefolgt von einer Inkubation von Stunden bis zu einigen Tagen. Der CAM-Delam-Assay umfasst die Verwendung einer internen befeuchteten Kammer während der Inkubation von Kükenembryonen. Dieser neuartige Ansatz erhöhte das Überleben der Embryonen von 10%-50% auf 80%-90%, wodurch frühere technische Probleme mit niedrigen Überlebensraten der Embryonen in verschiedenen CAM-Assays gelöst wurden.
Als nächstes wurden die CAM-Proben mit assoziierten Krebszellclustern isoliert, fixiert und eingefroren. Schließlich wurden kryostatisch geschnittene Proben visualisiert und mittels Immunhistochemie auf Basalmembranschäden und Krebszellinvasion analysiert. Durch die Auswertung verschiedener bekannter metastasierender und nicht-metastasierender Krebszelllinien, die grün fluoreszierendes Protein (GFP) exprimieren sollen, zeigten die quantitativen CAM-Delam-Ergebnisse, dass die Delaminationskapazitätsmuster die metastatische Aggressivität widerspiegeln und in vier Kategorien eingeteilt werden können. Die zukünftige Verwendung dieses Assays, abgesehen von der Quantifizierung der Delaminationskapazität als Hinweis auf metastatische Aggressivität, besteht darin, die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, die Delamination, Invasion, die Bildung von Mikrometastasen und Veränderungen in der Tumormikroumgebung kontrollieren.
Etwa 90% der Mortalität bei Krebspatienten wird durch die Folgen der Krebsmetastasierung verursacht, bei der es sich um die Bildung von Sekundärtumoren in anderen Teilen des Körpers handelt, aus denen der Krebs ursprünglich stammt1. Es ist daher von Bedeutung, metastasierende Mechanismen zu identifizieren, um potenzielle Ziele zur Unterdrückung der Bildung von Tumormetastasen zu finden. Anschließend besteht Bedarf an Modellsystemen, in denen der metastatische Prozess evaluiert werden kann.
Während der Metastasierung durchlaufen Krebszellen einen epithelial-zu-mesenchymalen Übergang (EMT), einen normalen zellulären Prozess, bei dem Epithelzellen ihre Adhärenz- und Polaritätseigenschaften verlieren und stattdessen einen invasiven mesenchymalen Charakterannehmen 2. Delamination ist Teil des EMT-Prozesses und beinhaltet den Abbau von Laminin in der Basalmembran, was eine Voraussetzung dafür ist, dass Krebszellen den Primärtumor verlassen und in andere Gewebe eindringen können. Zu den Hauptfaktoren, die während der Metastasenbildung hochreguliert werden, gehören Matrix-Metalloproteinasen (MMPs), ADAM (Disintergin- und Metalloproteinase), ADAMTS (ADAM mit Thrombospondin-Motiven) und Membran-MMPs (MT-MMPs)3,4. Diese Faktoren bauen Moleküle wie Laminin ab, das in allen Basalmembranen exprimiert wird, um die Zellmigration und -invasion zu erleichtern.
Die chorioallantoische Membran (CAM) eines befruchteten Kükenies ist eine Art Basalmembran. Befruchtete Kükeneier wurden als metastasierende Modelle verwendet, in denen Krebszellen auf der extraembryonalen CAM- und späteren Metastasenbildung ausgesät wurden, die in den Kükenembryonen beobachtetwurde 5. Darüber hinaus werden häufig in vivo Maus-Metastasenmodelle verwendet, bei denen Krebszellen in die Mäuse implantiert und Metastasen in verschiedenen Organen analysiertwerden 6. Dieser Ansatz ist zeitaufwendig, teuer und kann den Tieren Unbehagen bereiten. Um dies zu beheben, haben wir den CAM-Delam-Assay entwickelt, ein schnelleres und kostengünstigeres Modell zur Bewertung der metastasierenden Aggressivität von Krebszellen. In diesem Modell wird die Fähigkeit von Krebszellen, das Küken-CAM abzubauen (z. B. die Delaminationskapazität), mit einer möglichen Invasion von Krebszellen in den Mesenchym kombiniert und als Maß für die metastatische Aggressivität verwendet.
Der vorliegende Artikel, der auf einer früheren Veröffentlichung7 basiert, beschreibt den CAM-Delam-Assay im Detail, von der Handhabung befruchteter Kükeneier, der Krebszellkultur und -aussaat, der Dissektion und Analyse von CAM-Proben bis hin zur Bewertung der Delaminationskapazität von Krebszellen in vier Kategorien: intakt, verändert, beschädigt und Invasion. Wir geben auch Beispiele dafür, wie dieser Assay verwendet werden kann, um die molekularen Mechanismen zu bestimmen, die den Delaminationsprozess regulieren.
Dieses Papier beschreibt den CAM-Delam-Assay zur Bewertung der metastasierenden Aggressivität von Krebszellen, die durch die Bewertung von Basallamina-Modulationen und potenzieller Zellinvasion in den Mesenchym innerhalb eines Zeitraums von Stunden bis zu einigen Tagen bestimmt wird. Ein früheres technisches Problem für verschiedene CAM-Assays war das geringe Überleben von Kükenembryonen. Dieses Problem wurde durch die Einführung einer internen befeuchteten Kammer während der Embryoneninkubation gelöst, die das Überleben des Embryos von 10% -50% auf 80% -90% erhöhte7. Die Verwendung einer internen befeuchteten Kammer kann daher in CAM-Assays im Allgemeinen sowie in anderen Ex-Ovo-Kükenexperimenten von Wert sein.
Die dargestellten Scoring-Zeitpunkte bei 14 h, 1,5 Tagen, 2,5 Tagen und 3,5 Tagen nach der Aussaat von 1 x 106 Krebszellen auf dem CAM basieren auf einer rigorosen Methodenentwicklung unter Verwendung von sechs verschiedenen Krebszelllinien und reichen aus, um den Bereich von nicht-delaminierenden bis hin zu Delaminierungs-mit-Invasionskapazitäten von Krebszelllinien zu unterscheiden. Es wird eine Mindestverwendung von vier Eiern mit jeweils drei Ringen pro Zeitpunkt und Zelllinie empfohlen, die mindestens einmal oder gemäß experimentellen Designs und statistischen Anforderungen wiederholt werden sollte. Ein Vorteil des CAM-Delam-Assays besteht darin, innerhalb weniger Tage aussagekräftige Ergebnisse über die Delaminationskapazität von Krebszellen zu erhalten, um die Aggressivität von Krebszellen und das potenzielle Risiko für die Bildung von Metastasen abzuschätzen. Die schnelle Lieferung von Ergebnissen wird durch die Überwachung des Abbaus der Basallamina aufgrund der eindringenden Krebszellen und der nachfolgenden Mikrotumoren / Tumorknospen und Organmetastasen erleichtert. Traditionell wurden CAM-Modelle verwendet, um die Bildung von Organmetastasen zu analysieren, die etwa 2 Wochen dauert, um bestimmt zuwerden 9. Durch die Verwendung von sieben verschiedenen Krebszelllinien haben wir zuvor7 verifiziert, dass das Delaminations-Scoring mit der Fähigkeit von Krebszellen verbunden ist, Metastasen in Nagetiermodellen 10,11,12,13,14 zu bilden, was den prädiktiven Wert des CAM-Delam-Assays unterstützt. Darüber hinaus benötigen Mausmodelle eine noch längere Zeit, mehrere Wochen bis Monate, bevor Metastasen untersucht werden können15,16. Kurz gesagt, dieser entwickelte CAM-Delam-Assay, der sich auf die Bewertung der Delaminationskapazität und nicht auf die Untersuchung der späteren Tumorbildung im Kükenembryo konzentriert, ist daher eine gute Ergänzung zu bestehenden Chicken CAM Invasion und Maustumormodellen.
Eine Einschränkung im CAM-Delam-Assay kann die unklare Visualisierung der Basallamina sein, wenn die Krebszellen selbst Laminin exprimieren. Wenn ja, könnten andere Markierungen, die die Basallamina anzeigen, wie E-Cadherin, verwendet werden7. Andere CAM-Invasionsstudien haben Typ-IV-Kollagen verwendet, um das CAM und Pan-Cytokeratin und Vimentin zu visualisieren, um eindringende Krebszellen und die Bildung von Mikrotumoren / Tumorknospen zu identifizieren17, 18.
Delamination ist ein normaler zellulärer Prozess, sowohl während der Entwicklung als auch später im Leben, der es Zellen ermöglicht, ein Epithel zu verlassen und in andere Gewebe zu wandern. Beispiele für delaminierende Zellen während der Entwicklung sind Neuralkamm und olfaktorische Pionierneuronen 19,20; Später im Leben hängt die Wundheilung von der Delaminationab 21. Bei Krebs wird dieser Prozess in den falschen Zellen und/oder zur falschen Zeit hochreguliert. So kann die CAM-Delam-Methode von Nutzen sein, um die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, die die Delamination regulieren, was sowohl für das biologische Grundwissen als auch für das Krankheitswissen von Bedeutung wäre. Solche Delaminationsstudien würden das Hinzufügen von Faktoren beinhalten, die für die auf dem CAM ausgesäten Krebszellen von Interesse sind, oder die Untersuchung genetisch veränderter Krebszellen. Ein hier vorgestelltes Beispiel ist die CoCl2-Vorbehandlung der nicht-metastatischen Zelllinie U251 zur Induktion von Hypoxie, die zur Induktion einer metastasierenden aggressiven Kapazität führt, die durch einen Breitband-MMP-Inhibitor unterdrückt werden könnte. Daher erhöht das Auffinden von Schlüsselmolekülen, die die Delamination kontrollieren, die Möglichkeit, Inhibitoren zu entwickeln, um diesen Prozess zu unterdrücken. In diesem Zusammenhang ist ein weiterer potenzieller Nutzen für das CAM-Delam-Protokoll das Drogenscreening zur Unterdrückung von Delamination und Zellinvasion. Darüber hinaus ist in der Klinik die Beurteilung der Krebsschwere eine kritische Komponente für die Diagnose, die Planung der Behandlung und die Pflege. Derzeit ist das TNM-Staging-System (T, Tumorgröße; N, Knoten – ob sich der Krebs auf die Lymphknoten ausgebreitet hat; M, Fernmetastasierung) wird verwendet, um die Schwere der Krebserkrankung zu beurteilen22. Der CAM-Delam-Assay definiert einen innovativen Ansatz zur Bewertung der Aggressivität von Krebszellen und des potenziellen Risikos für die Bildung von Metastasen und könnte eine nützliche Ergänzung zum TNM-Staging-System sein. Bemerkenswert ist, dass das TNM-Staging auf der Analyse von fixierten Gewebeproben basiert, während ein potenzieller klinischer CAM-Delam-Ansatz frisches oder frisch gefrorenes Gewebe in Kombination mit Techniken zur Wiederbelebung gefrorener Zellen untersuchenwürde 23.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken den folgenden Forschern der Universität Umeå für ihre Hilfe bei relevanten Krebszelllinien und Antikörpern: L. Carlsson (von Willebrand Factor Antikörper), J. Gilthorpe (U251) und M. Landström (PC-3U). Wir danken auch Hauke Holthusen im Labor Gilthorpe für die Generierung der stabilen Zelllinie HEK293-TLR-AAVS1. Die Arbeit im Gunhaga-Labor wurde von der Swedish Cancer Foundation (18 0463), dem Umeå Biotech Incubator, dem Norrlands Cancerforskningsfond, dem Swedish Research Council (2017-01430) und der Medizinischen Fakultät der Universität Umeå unterstützt.
EQUIPMENT | |||
Centrifuge | Rotanta 480 R, Hettich zentrifugen | ||
Countess II FL Automated Cell Counter | Invitrogen | ||
Cryostat | HM 505 E, Microm | ||
Digital camera | Nikon DS-Ri1 | ||
Dissection Microscope | Leica M10 | For CAM-sample dissection and positioning in molds | |
Egg incubator | Fiem | Many other sources are available. Must be cleaned and sterilized with 70 % ethanol before each use | |
Epifluorescence microscope | Nikon Eclipse, E800 | Equiped with a digital camera, for scoring delamination and cell invasion. | |
Fine forceps | Many sources are available | Must be sterilized before use | |
Freezer -80 °C | Thermo Fisher Scientific | 8600 Series | Model 817CV |
Inverted microscope | Nikon Eclipse TS100 | For cell culture work | |
Scissors (small) | Many sources are available | Must be sterilized before use | |
MATERIALS | |||
anti-Laminin-111 | Sigma-Aldrich | L9393 | Primary anti-rabbit antibody (1:400) |
anti-rabbit Cy3 | Jackson Immuno Research | 111-165-003 | Secondary antibody (1:400) |
anti-von Willebrand Factor | DAKO | P0226 | Primary antibody (1:100) |
Cobalt(II) chloride |
Sigma-Aldrich | 232696-5G | CAUTION: moderate toxicity chemical. Handle with care only in fume hood. Follow manufacturers instructions |
DAPI | Sigma-Aldrich | D9542-10MG | 4',6-diamidino-2-phenylindole, dihydrochloride (1:400) |
Fertilized chicken eggs | Strömbäcks Ägg, Vännäs, Sweden | Any local egg supplyer | |
Fetal bovine serum | Life Technologies | 10500-064 | |
Fluorescence mounting medium | Allent Technologie | S302380-2 | Avoid bubble formation when mounting. Allow to dry at +4 °C |
Glass chambers for silicon rings | Many sources are available | We used 15 mL glass chambers. Around 20 silicon rings fit in one chamber. Avoid crowding, since the rings may stick together and aggravate work. | |
Glass coverslips | VWR International | 631-0165 | |
GM6001 MMP Inhibitor | Sigma-Aldrich | CC1010 | |
Microscope slides for immunohistochemistry | Fisher Scientific | 10149870 | |
NEG-50 frozen medium | Cellab | 6506 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 30525-89-4 | CAUTION: highly toxic. Handle with care only in fume hood, follow manufacturers instructions. Use all protective clothing. |
Peel-A-Way Embedding Molds |
Polysciences | 18985 | |
Penicillin–streptomycin | Gibco | 15070063 | |
Petri dishes | Sarstedt | 83.3903 | 15 cm in diameter for cell culture |
Plastic box | Esclain | ||
PureCol EZ Gel Collagen | Cellsystems | 5074-35ML | 5 mg/mL. Gelatinous material. Pipette very slowly and carefully to avoid cells being lost in the bubble formations. |
RPMI medium | Thermo Fisher Scientific | 21875034 | |
Silicon rings | VWR International | 228-1580 | Inner/outer diameter: 4/5 mm. Should be sterilized before use. Avoid repeated autoclaving of unused rings. |
Trypan blue | Fisher Scientific | T10282 | |
Trypsin | Life Technologi | 15400054 | 0.50% |
Weighing boats | VWR International | 611-0094 | |
SOLUTIONS | |||
Collagen-RPMI media mixture (1 mL) | Compelete RPMI Media 750 µL |
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PureCol EZ Gel Collagen 250 µL |
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Mix and use immediately | |||
Complete RPMI media (500 mL) | RPMI Media 445 mL |
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FBS 50 mL |
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Penicillin–streptomycin 5mL |
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Store at 4 °C | |||
PB (0.2 M; 1 000 mL) | Na2HPO4 (MW 141.76) 21.9 g |
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NaH2PO4 (MW 137.99) 6.4 g |
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add deionized water up to final volume of 1000ml | |||
Store in RT | |||
PFA (4 %) in 0.1 M PB (100 mL) | Deionized water 50 mL |
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0.2 M PB 50 mL |
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Paraformaldehyde (PFA) 4g |
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heat to 60 °C in water bath | |||
add 5 M NaOH 25 µL |
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Stir to dissolve the PFA powder | |||
Store at 4 °C | |||
TBST (1 000 mL) | 50mM Tris pH 7,4 50 mL |
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150mM NaCI 30 mL |
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0,1% Triton X-100 10 mL |
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H2O (MQ) 900 mL |
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Trypsin (0.05 %; 10 mL) | 1x PBS 9 mL |
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10x Trypsin (0.5 %) 1 mL |
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10 mL in total, Store at 4 °C |