Perineurale Invasion ist ein aggressiver Phänotyp für Kopf- und Halsplattenkarzinome und andere Tumoren. Das Küken-Chorioallanto-Membranmodell wurde zur Untersuchung von Angiogenese, Krebsinvasion und Metastasierung verwendet. Hier zeigen wir, wie dieses Modell genutzt werden kann, um die perineurale Invasion in vivo zu bewerten.
Perineurale Invasion ist ein Phänotyp, bei dem Krebs die Nerven umgibt oder eindringt. Es ist verbunden mit schlechten klinischen Ergebnissen für Kopf und Hals Plattenepithelkarzinom und andere Krebsarten. Mechanistische Studien haben gezeigt, dass das molekulare Übersprechen zwischen Nerven und Tumorzellen vor der physikalischen Interaktion auftritt. Es gibt nur wenige In-vivo-Modelle, um die perineurale Invasion zu untersuchen, insbesondere um die frühe Progression zu untersuchen, bevor physikalische Nerven-Tumor-Wechselwirkungen auftreten. Das Küken-Chorioallanto-Membranmodell wurde verwendet, um die Krebsinvasion zu untersuchen, da die Kellermembran des Chorionepithels die des menschlichen Epithelgewebes imitiert. Hier haben wir das Küken-Chorioallanto-Membranmodell umfunktioniert, um die perineurale Invasion zu untersuchen, die Dorsalwurzelganglien der Rate und die Plattenepithelkarzinomzellen des menschlichen Kopfes und Deshalses auf das Chorionepithel zu pfropfen. Wir haben gezeigt, wie dieses Modell nützlich sein kann, um die Fähigkeit von Krebszellen zu bewerten, in vivo in neuronales Gewebe einzudringen.
Perineurale Invasion (PNI) ist ein unteruntersuchter Phänotyp bei Krebs, der mit einem hohen Krankheitsrezidiv und einem schlechten Überleben bei Patienten mit Kopf- und Halsplattenzellkarzinom (HNC)1assoziiert ist. PNI ist mikroskopisch als Tumorzellen innerhalb oder um die Nervendefiniert 2,3. Wenn PNI nachgewiesen wird, erhalten Patienten wahrscheinlich adjuvante Therapien wie elektive Nackensektion und/oder Strahlentherapie4,5. Diese Therapien sind jedoch aggressiv und nicht PNI-spezifisch. Tatsächlich gibt es keine Therapie, um PNI zu blockieren, vor allem, weil die Mechanismen, die Nerven-Tumor-Wechselwirkungen zugrunde liegen, immer noch schlecht verstanden werden.
Verschiedene molekulare Mechanismen wurden in die Anziehung von Nerventumoren involviert; Tumoren und Stromalzellen setzen Neuropeptide und Wachstumsfaktoren frei, um die Neuritogenese zu fördern6,7. Wenn sie in vitro kultiviert werden, haben HNC-Zellen und dorsale Wurzelganglien (DRG) beide eine robuste Reaktion; Auswirkungen auf Tumorzellinvasion und Neuritogenese können nach ein paar Tagen in Kultur6,8,9gesehen werden. Es fehlt jedoch an geeigneten In-vivo-Modellen, um Tumor-Nerven-Wechselwirkungen vor der Invasion zu rekapitulieren. Hier stellen wir ein in vivo PNI-Modell vor, um frühe Wechselwirkungen zwischen HNC-Zellen und Nerven zu untersuchen6. Wir passten das Küken-Chorioallanto-Membran-Modell (CAM) an, um eine neuronale Komponente einzuschließen, indem wir ein DRG in das CAM transplantierten, gefolgt von einem Transplantat von Krebszellen, um eine innervierte Tumormikroumgebung nachzuahmen.
Das CAM-Modell wurde erfolgreich verwendet, um die Invasion von Zellen durch die Kellermembran zu bewerten, nachahmt frühe invasive Stadien von Karzinomen und Melanom10,11,12. Das CAM besteht aus dem oberen Chorionepithel, dem dazwischen liegenden Mesenchym und dem unteren allantoischen Epithel. Das Chorionepithel ist dem menschlichen Epithel10,13 strukturell ähnlich, da die kollagen-IV-reiche Kellermembran die Kellermembran simuliert, die das mundliche Epithel vom darunter liegenden Bindegewebe trennt. Da die ersten Tumortransplantate 191314im CAM durchgeführt wurden, wurden viele Anpassungen der Methode entwickelt, um die Beurteilung der Angiogenese15,16,17, Tumorprogression und Metastasen18. Wichtig ist, dass sich die Technik der Transplantation von Tumoren auf das CAM kaum verändert hat, aber die Anwendungen entwickeln sich ständig weiter. Es wurden Assays mit zunehmender Komplexität veröffentlicht, darunter das Arzneimittelscreening19, Knochengewebe-Engineering20und Nanopartikel-basierte Krebsmedikamente21.
Unser Labor verwendet ein CAM-DRG-Modell, bei dem ein Säugetier-DRG isoliert und auf die Oberfläche des oberen CAM gepfropft wird. Nachdem das DRG in das CAM integriert wurde, werden HNC-Zellen in der Nähe des DRG transplantiert und dürfen mit dem DRG interagieren, bevor das gesamte In-vivo-System geerntet und analysiert wird. Wichtig ist, dass das System eine ex-vivo visuelle Beobachtung sowohl des DRG als auch des Tumors durch Fluoreszenzkennzeichnung von DRG- und Tumorzellen ermöglicht. Dieses Protokoll umfasst mehrere Schritte mit unterschiedlicher Komplexität, die innerhalb von 17 Tagen durchgeführt werden, von der Brut von Eiern bis zur Ernte des CAM (Abbildung 1). Zellen, die verschiedene Proteine von Interesse exemittieren, können in diesem Modell getestet werden, um die molekularen Pfade aufzuklären, die für die Nerveninvasion bei Krebs verantwortlich sind, und auch für das Screening von Medikamenten, um die neuronale Invasion direkt ins Visier zu nehmen. Zellen, die mit einem Kandidatenmedikament vorbehandelt wurden, können auf das CAM transplantiert und das Auftreten von PNI im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen untersucht werden. Tatsächlich wurde das CAM-Modell für das Arzneimittelscreening als Zwischenschritt zwischen In-vitro-Studien und präklinischen In-vivo-Studien an Nagetieren19verwendet.
Das experimentelle Design wird mit der Hypothese variieren. Wenn beispielsweise die Rolle eines bestimmten Proteins auf PNI getestet wird, würde die experimentelle Gruppe DRG umfassen, die mit Tumorzellen transplantiert wird, die das Protein überexzitieren, während die Kontrollgruppe DRG mit Zellen umfassen sollte, die stabil mit leerem Vektor transfiziert sind. Verschiedene experimentelle Entwürfe können verwendet werden, um spezifische Fragen zu beantworten.
Das hier vorgestellte CAM-DRG-In-vivo-Modell befasst sich mit den Defiziten früherer Modelle, indem es die Nerven-Tumor-Interaktion vor der physischen Invasion des Nervs durch Tumorzellen demonstriert. Die meisten In-vivo-Studien von PNI konzentrieren sich auf Tumorausbreitung und Hemmung der motorischen Funktion, und hängen von der direkten Injektion von Tumorzellen in Ischiasnerven23,24,25. Die Ischiasnerveninjektion ist ein In-vivo-Modell von PNI, bei dem Krebszellen in einen Schiasnerv der Maus oder Der Ratte injiziert werden, wo der Tumor anschließend wächst. Injektionsmodelle sind nützlich, um destruktive Tumorprogression und Schmerzen zu zeigen, die aus Tumorzellen innerhalb der Nerven entstehen. Das Ischiasnervenmodell eignet sich auch für die Untersuchung von Faktoren, die es Krebszellen ermöglichen, im Nerv zu gedeihen, aber es fehlt die Fähigkeit, die frühe Phase von PNI zu bewerten, weil es Zellen direkt in den Nerv einführt, unter Umgehung von Nervenscheiden. In einem anderen Ansatz wurden chirurgisch implantierte orthotopische Tumortransplantate verwendet, um die Bedeutung von adrenergen und cholinergen Nervenfasern bei der Förderung der Prostatakrebsprogression zu charakterisieren, was auf eine herausragende Rolle der Nerven bei der Tumorprogression hindeutet. 26. Dieses Modell bestand aus chemischer Ablation von murinen sympathischen und parasympathischen Nerven. Die parasympathischen Fasern infiltrierten Tumorgewebe, ein Prozess im Zusammenhang mit PNI, aber das Modell wurde nicht speziell verwendet, um physikalische Wechselwirkungen zwischen dem Nerv und Tumor zu bewerten. Das CAM-DRG-Modell ermöglicht die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Nerven und Krebs während PNI. Darüber hinaus sind murine Modelle im Vergleich zum CAM-Modell teuer und zeitaufwändig. Wir empfehlen die Verwendung des CAM-DRG-Modells für mechanistische Studien von PNI.
Einige Vorteile des CAM-DRG-Ansatzes sind die Bewertung von PNI und anderen Phänotypen, wie Tumorwachstum, Metastasierung und Angiogenese. Die Identifizierung menschlicher DNA am unteren CAM und/oder in der Leber kann zum Nachweis von Metastasen menschlicher Krebszelllinien10verwendet werden, einem empfindlicheren experimentellen Ansatz im Vergleich zu Gewebeschnitt und Färbung, der möglicherweise keine kleinen Metastasen offenbart.
Die CAM-DRG-Methode hat einige Einschränkungen, einschließlich des kurzen Beobachtungszeitrahmens. Das Immunsystem des Embryos ist physiologisch aktiv am Tag 1827, wenn Abstoßung und ein entzündlicher Prozess stattfinden können, die die experimentelle Zeit begrenzen. Es ist auch wichtig, den Abstand bei der Transplantation von Tumorzellen in der Nähe des DRG zu berücksichtigen; größere DRG-Krebsentfernungen könnten die molekularen Wechselwirkungen zwischen Tumorzellen und Nerven beeinträchtigen oder den physischen Kontakt zwischen beiden Komponenten des Modells verzögern. Auch wenn die Embryonen älter sind als in diesem Protokoll vorgesehen, könnten Embryobewegungen die Tumorzellen verdrängen. Daher ist es wichtig, Eier zu verwenden, die mit Tag 10 nach der Befruchtung für die Zelltransplantation übereinstimmen.
Da das Immunsystem vor dem 18.Tagnicht vollständig entwickelt ist, ähnelt die Tumormikroumgebung im CAM der der immunsuppressierten murinen Modelle, die häufig für Krebsstudien verwendet werden. Daher ist dieses Modell nicht nützlich, um die Rolle von Immunzellen bei der Tumorprogression zu bewerten. Eine weitere Einschränkung ist die eingeschränkte Verfügbarkeit von Reagenzien für Hühnerarten wie Antikörper, Zytokine und Primer.
Die genaue Durchführung dieses Protokolls erfordert Übung; Es kann jedoch von einem Labormitglied ohne Notwendigkeit für eine spezialisierte Kerneinrichtung durchgeführt werden. Das Bohren der Eierschale erfordert Eine Schulung. Üben auf Lebensmitteleiern (nicht befruchtet) wird empfohlen, bevor Sie dieses Modell zum ersten Mal versuchen. Ein hohes embryonales Überleben und Erfolg des Modells können erreicht werden, wenn einige kritische Schritte zur Vermeidung einer Infektion befolgt werden: angemessene Antibiotikaprophylaxe von DRGs in 2% Pen/Strep, Arbeiten in einem laminaren Strömungsschrank und Vermeidung der Dispersion von Eischalenpartikeln auf das CAM. Es ist auch wichtig, stabile Luftfeuchtigkeit während der gesamten Inkubationszeit des Eis zu halten. Wir empfehlen, die Anzahl der Eier pro Gruppe zu erhöhen, bis die Technik gemeistert ist. Die häufigsten Probleme für unerfahrenes Laborpersonal sind die Eikontamination und die ungenaue Technik bei der Zelltransplantation.
Die DRG-Ernte erfordert auch Eine Schulung; Praxis bei der Ernte von DRGs für In-vitro-Experimente8 vor dem Versuch des In-vivo-Modells wird empfohlen. Die In-vitro-DRG-Kultur ist eine Gelegenheit, die Bedingungen zu optimieren und die Technik zu verbessern, um die Dauer der DRG-Extraktion zu verkürzen. Besondere Aufmerksamkeit ist der Erntetechnik beim Greifen der DRG mit Zangen erforderlich. Die DRG sollte nicht direkt gehalten werden; Druck unter ihm aufgebracht werden. Wir empfehlen die Verwendung von Lupe, um das DRG während der Extraktion besser zu visualisieren.
Wichtig ist, dass bei der ersten Ausführung dieses Modells alle Bedingungen für die gewünschte Zelllinie optimiert werden sollten. Dieses Modell wurde für Ratten-DRG und die HNC-Zelllinie UM-SCC-1 optimiert. Die Verwendung von Maus-DRG und anderen Krebszelltypen kann eine Optimierung erfordern. Mit einer höheren Konzentration von transplantierten Zellen neigen Tumoren dazu, dicker und steifer zu werden, was Tumormessungen erleichtert. Unter Berücksichtigung mehrerer Eier für jede Gruppe und einer angemessenen Konzentration von Zellen für jedes Ei können für jedes Experiment mehrere Millionen Zellen erforderlich sein. Um die Planung zu erleichtern, sollte die Kenntnis der Verdoppelungszeit der Zellen berücksichtigt werden. Für einige wichtige Schritte in diesem Protokoll wird eine Fehlerbehebungstabelle bereitgestellt (Tabelle 1).
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde durch die NIH/NIDCR-Stipendien DE027551 und DE022567 (NJD) unterstützt.
0.25% Trypsin-EDTA (1x) | Gibco | # 25200-056 | |
ACE light source | SCHOTT North America, Inc. | Used to transilluminate the eggs | |
CellTracker Green CMFDA fluorescent dye | Life Technologies | # C7025 | Reconstitute 50µg in 20µL of DMSO and stock at -20oC. Use 1µL of stock solution/mL of culture medium. |
CellTracker Red CMTPX fluorescent dye | Life Technologies | # C34552 | Reconstitute 50µg in 40µL of DMSO and stock at -20oC. Use 1µL of stock solution/mL of culture medium |
Cordless rotary tool | DREMEL | # 866 | Used to drill the egg shell |
DMEM (1x) | Gibco | # 11965-092 | Dulbeecco`s Modified Eagle Medium |
DMSO | Fisher Bioreagents | # BP231-100 | Dimethyl Sulfoxide |
Dumont # 5 fine forceps | Fine Science Tools (FST) | # 11254-20 | Used to harvest DRG |
Egg incubator | GQF Digital Sportsman | # 1502 | Egg incubator equipped with automatic rotator, digital thermostat, temperature and humidity controls |
Engraving cutter | DREMEL | # 108 | Used to drill the egg shell |
Extra fine Graefe forceps, curved | Fine Science Tools (FST) | # 11151-10 | Used to graft DRG onto the CAM on day 8 and to harvest CAM tissue on day 17 |
Extra fine Graefe forceps, straight | Fine Science Tools (FST) | # 11150-10 | Used to graft DRG onto the CAM on day 8 and to harvest CAM tissue on day 17 |
Fertilized Lohmann White Leghorn eggs | Fertilized eggs at early fertilization days, preferably on first day post-fertilization. Eggs used in this protocol are from Michigan State University Poultry Farm. | ||
Filter Forceps | EMD Millipore | # XX6200006P | Blunt forceps used to remove the egg shell |
Fine surgical straight sharp scissor | Fine Science Tools (FST) | #14060-09 | Used to harvest the CAM tissue on day 17 |
HBSS (1x) | Gibco | # 14025-092 | Hank`s Balanced Salt Solution |
HI FBS | Gibco | # 10082-147 | Heat-inactivated Fetal Bovine Serum |
Paraffin wax membrane | Parafilm laboratory film | # PM-996 | Used to temporarily cover the egg openings until DRG grafting on day 8 |
PBS (1x) pH 7.4 | Gibco | # 10010-023 | Phosphate Buffered Saline |
Pen/Strep | Gibco | # 15140-122 | 10,000 Units/mL Penicilin, 10,000 µg/mL Streptomycin |
PFA (paraformaldehyde solution) | Sigma-Aldrich | # P6148-1KG | Dilute in water to make a 4% PFA solution |
Sprague Dawley rats (females) | Charles River laboratories | Strain code: 001 | 6-7 weeks old (190-210g in weight) |
Tegaderm Transparent Film Dressing | 3M | # 9505W | Sterile, 6x7cm, used to cover the egg openings during incubation |