Ein neuartiges dreidimensionales Sphäroidmodell, das auf der heterotypischen Interaktion von Tumorzellen und stromalen Fibroblasten basiert, wird etabliert. Hier präsentieren wir Kokultur von Tumorzellen und stromalen Fibroblasten, Zeitraffer-Bildgebung und konfokale Mikroskopie, um die Bildung von Sphäroiden zu visualisieren. Dieses dreidimensionale Modell bietet eine entsprechende Plattform, um Tumor-Stroma-Wechselwirkungen zu untersuchen und Krebstherapeutika zu testen.
Tumor-Stroma-Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle bei der Krebsprogression. Dreidimensionale (3D) Tumorsphäroidmodelle sind das am weitesten verbreitete In-vitro-Modell bei der Untersuchung von Krebsstamm-/Initiierungszellen, präklinischer Krebsforschung und Arzneimittelscreening. Die 3D-Sphäroidmodelle sind der konventionellen Tumorzellkultur überlegen und reproduzieren einige wichtige Charaktere realer solider Tumoren. Herkömmliche 3D-Tumorsphäride bestehen jedoch ausschließlich aus Tumorzellen. Ihnen fehlt die Beteiligung von Tumorstromalzellen und sie haben eine unzureichende extrazelluläre Matrix (ECM) Abscheidung, wodurch die In-vivo-Bedingungen von Tumorgeweben nur teilweise imitiert werden. Wir haben ein neues multizelluläres 3D-Sphäroidmodell aus Tumorzellen und stromalen Fibroblasten entwickelt, das die heterogene Tumormikroumgebung in vivo und ihre native Desmoplasie besser imitiert. Die Bildung von Sphäroiden wird streng durch die tumorstromalen Fibroblasten reguliert und durch die Aktivität bestimmter wichtiger intrazellulärer Signalwege (z.B. Notch-Signalisierung) in stromalen Fibroblasten bestimmt. In diesem Artikel stellen wir die Techniken für die Kokultur von Tumorzellen-stromalen Fibroblasten, Zeitraffer-Bildgebung zur Visualisierung von Zell-Zell-Interaktionen und konfokale Mikroskopie vor, um die 3D-Architekturmerkmale der Sphäroide darzustellen. Wir zeigen auch zwei Beispiele für die praktische Anwendung dieses 3D-Sphäroidmodells. Dieses neuartige multizelluläre 3D-Sphäroidmodell bietet eine nützliche Plattform für die Untersuchung der Tumor-Stroma-Interaktion, indem es erläutert, wie stromale Fibroblasten Krebsstamm-/initiierende Zellen regulieren, die die Tumorprogression und Aggressivität bestimmen, und die Einbeziehung der stromalen Reaktion in die Empfindlichkeit und Resistenz von Krebsmedikamenten untersucht. Diese Plattform kann auch ein relevantes In-vitro-Modell für die Entdeckung von Arzneimitteln sein.
Solide Tumoren stellen komplexe Gewebe dar, die aus neoplastischen Zellen und einer Vielzahl von Stromalzellen1,2,3,4bestehen. Stromal-Fibroblasten, oder krebsassoziierte Fibroblasten (CAF), sind eine der prominentesten Stromalzellpopulationen in den meisten Arten von soliden Tumoren. Sie sind entscheidend an der Regulierung von Tumorwachstum, Stammheit, Metastasierung, Angiogenese und Arzneimittelresistenz durch die Produktion von Wachstumsfaktoren, Zytokinen/Chemokinen, Synthese von ECM und Remodeling-Enzymen (z. B. Kollagen, Fibronectin und Matrixmetalloproteasen), Freisetzung von Exosomen und direkter heterotypischer Zell-Zell-Interaktion5,6,7,9,11 ,11 . CAF beteiligt sich auch an der Bestimmung der krebsorganspezifischen Metastasierung, indem eine Teilmenge von Tumorklonen aus heterogenen Tumorzellpopulationen in der primären Läsion vorgewählt und diese ausgewählten Klone gefördert werden, die für Metastasen zu einem bestimmten entfernten Organ grundiert werden sollen, dessen Mikroumgebung für die Rekolonisierung ausgewählter Klone optimal ist12. Darüber hinaus sind Fibroblasten und ihre abgesonderten löslichen Faktoren und ECM an der Modulation der Tumorangiogenese13,14, Anti-Tumor-Immunantwort15, und sind sogar an Medikamentenresistenz und Tumorrezidivbeteiligt 16,17.
In vitro 3D-Tumorsphäroidmodelle wurden entwickelt und in der Krebsforschung als Zwischenmodell zwischen in vitro Krebszellkulturen und in vivo Tumormodellen18,19,20,21verwendet. Die 3D-Tumor-Sphäroid-Modelle haben Popularität in der Krebsstammzellforschung, präklinischen Krebsforschung und Arzneimittel-Screening gewonnen, weil diese Modelle einige wichtige Merkmale von echten Tumoren reproduzieren, die in traditionellen 2D-Monolayern fehlen22. Viele bestehende 3D-Tumor-Sphäroid-Modelle bestehen ausschließlich aus Tumorzellen und haben keine Beteiligung von Tumorstromzellen. Dies führt oft dazu, dass Tumorsphäride eine unzureichende ECM-Abscheidung haben und keine heterotypischen Zell-Zell-Wechselwirkungen vorhanden sind. Herkömmliche 3D-Sphäroide, die ausschließlich von Krebszellen und homotypischer Zellzelladhäsion gebildet werden, können die In-vivo-Bedingungen von Tumorgeweben nur teilweise imitieren. Um einige dieser Einschränkungen zu überwinden, haben die Forscher vorgeschlagen, mehrere Arten von Stromalzellen in 3D-Kokulturen zu integrieren und mehrere heterotype 3D-Tumorsphäroidmodelle23,24,25,26,27entwickelt. Darüber hinaus haben die Forscher exogene 3D-Matrizen, einschließlich natürlicher Hydrogele oder synthetischer Polymere wie Polyethylenglykol, Poly (Laktid-Co-Glylid) und Poly (N-Isopropylacrylamid), eingesetzt, um monozelluläre und multizelluläre Sphäroidmodelle einzubetten, eine zellunterstützende Umgebung zu schaffen und Zellmatrix-Wechselwirkungen28,29zu reproduzieren, wodurch diese Systeme biologisch relevanter werden30. Die Einbeziehung bestimmter Arten von Stromalzellen, wie endotheliale Zellen, in 3D-Kokulturen führt jedoch zu einer zusätzlichen Komplexität für ein In-vitro-System und erschwert die Untersuchung heterotypischer Zell-Zell-Wechselwirkungen zwischen zwei spezifischen Zelltypen, wie z. B. Krebszell-Fibroblasten-Wechselwirkungen. Darüber hinaus interagieren Endothelzellen in realen Geweben nicht immer direkt mit Krebszellen und anderen Stromalzellen, da es eine Schicht von Kellermembran außerhalb der Kapillaren umwickelt gibt, die verhindert, dass Endothelzellen direkt mit Krebszellen und anderen Stromalzellen interagieren. In diesen 3D-Sphäroidmodellen bilden eingebaute Endothelzellen keine Blutgefäße, interagieren aber direkt mit Krebszellen und anderen Stromalzellen, was in vivo selten vorkommt. In ähnlicher Weise sind exogene Matrizen, die in einigen der 3D-Sphäroidmodelle verwendet werden, nicht identisch mit dem ECM in realen Tumorgeweben in Bezug auf Struktur und Zusammensetzung. All diese künstlichen Bedingungen können zu irreführenden Daten führen.
Wir haben vor kurzem ein neues multizelluläres 3D-Sphäroid-Modell aus Tumorzellen und CAF erstellt. In unserem Modell wird die Bildung von 3D-Tumorsphäroiden vollständig durch CAF bestimmt. CAF induzieren und regulieren den Phänotyp von Tumorstamm/auslösenden Zellen. Das von CAF produzierte ECM ist natürlich und ermöglicht es der desmoplastischen Struktur, die In-vivo-Tumormikroumgebung besser nachzuahmen. Dieses neuartige 3D-Modell kann ein nützliches Werkzeug für das Screening von Krebsmedikamenten sein und bietet eine einzigartige Plattform, um die Tumor-Stroma-Interaktion zu untersuchen, zu erklären, wie CAF Krebsstamm-/Initiierungszellen reguliert, und die Einbeziehung stromaler Wechselwirkungen in der Empfindlichkeit und Resistenz von Krebsmedikamenten zu untersuchen.
In-vitro-3D-Zellkulturtechniken werden seit Jahrzehnten in der Krebsforschung eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkultursystemen rekapituliert die 3D-Mikroumgebung die Zellzell- und/oder Zellmatrix-Wechselwirkungen und ermöglicht die Nachahmung der in Tumorgewebe beobachteten echten Bedingungen. Ein 3D-System, das nur aus Krebszellen und homotypischen Zell-Zell-Wechselwirkungen gebildet wird, berücksichtigt jedoch nicht die Bedeutung des heterotypischen Cross-Talks und kann ungenaue Ergebnisse in der Forschung liefern. Wir haben vor kurzem ein neuartiges 3D-System entwickelt, das Krebszellen und CAF kombiniert, um heterogene Tumor-Mikroumgebungen in vivo und ihre native und steife desmoplastische Reaktion besser nachzuahmen.
Fibroblasten sind wichtige Bestandteile von Tumorstroma. CAF sind an der Regulierung der Tumorprogression beteiligt, indem sie lösliche Faktoren, ECM/Remodeling-Enzyme10,11und Exosomen hervorruft. Darüber hinaus spielen CAF eine Rolle bei der Arzneimittelresistenz und Tumorrezidiv16,17. Unser multizelluläres 3D-Sphäroidsystem kann genutzt werden, um molekulare Mechanismen tumor-stromaler Wechselwirkungen zu erforschen und die Arzneimittelresistenz und Tumorrezidive zu adressieren. CAF werden in erster Linie von aktivierten lokalen Stillfibroblasten und rekrutierten zirkulierenden Knochenmark MSC abgeleitet, die in situ Differenzierung in CAF im Tumorgewebe37,38,39. In der aktuellen Studie verwendeten wir Haut-Fibroblasten, um ein mehrzelliges 3D-Sphäroidmodell zu erstellen. Andere Arten von Fibroblasten (z.B. MSC-DF) wirken jedoch ähnlich wie Hautfibroblasten, um die Tumorzell-3D-Sphäroidbildung34zu regulieren. MSC-DF kann aus dem murinen Knochenmark MSC erzeugt werden, das durch die Kultivierung von Knochenmarkmononuklezellen im MSC-Zellkulturmedium für etwa 10 Tage mit periodischen Mittelveränderungen alle 3 Tage angereichert wird. Diese MSC sind als CD73+/CD105+/Lin–gekennzeichnet. Um MSC in Fibroblasten zu differenzieren, wird MSC anschließend für weitere 2 Wochen mit vollständiger DMEM kultiviert. MSC-DF sind gekennzeichnet als s-SMA+/Vimentin+/FSP-1+ Zellen36. MSC-DF kann wichtige Tumorregulatoren sein. Da ein Bruchteil von CAF in vielen Arten von soliden Tumoren von rekrutierten zirkulierenden MSC aus Knochenmark36freigesetzt unterschieden werden, kann MSC-DF vielversprechende Behandlungsziele sein. Sie sind auch viel leichter therapeutisch manipuliert oder gezielt, bevor sie zu Tumorgewebe rekrutiert und in CAF differenziert werden. Somit bietet unser 3D-Modell ein ideales System, um nicht nur Krebszellen, sondern auch verschiedene Fraktionen oder Subpopulationen von CAF zu untersuchen und zu testen. Die Methode zur 3D-Sphäroidbildung ist einfach. Zu den kritischen Schritten gehören die Verwendung von serumfreiem Medium für die Kokultur, die Anwendung des richtigen Verhältnisses von Fibroblasten auf Tumorzellen und die Verwendung der richtigen Kulturplatten für die Kokultur. Die mögliche Einschränkung unserer Methode ist, dass die Bildung von 3D-Sphäroiden weitgehend krebszelllinienabhängig ist. Unser Sphäroid-Bildungsprotokoll kann eine Optimierung des Verhältnisses zwischen Fibroblasten und Krebszellen erfordern, wenn verschiedene Krebszelllinien verwendet werden. Es sollte beachtet werden, dass wir ein menschliches Melanom-Zell- und Maus-Fibroblasten-Zell-Kokulturmodell für die Bildung von 3D-Sphäroiden verwendet haben, da es viel einfacher ist, GOF- oder LOF-Zellen in Maus-Fibroblasten für die Untersuchung der Rolle eines Moleküls oder Signalwegs bei der Regulierung der Tumorsphäroidbildung zu erstellen. Die Fähigkeit menschlicher Melanomzellen und Maus-Fibroblasten, Sphäroide zu bilden, zeigt an, dass Moleküle, die für die Zell-Zell-Kommunikation benötigt werden, speziesübergreifend wirken. Wir haben vor kurzem Kokultur von menschlichen Fibroblasten mit menschlichen Melanomzellen getestet und festgestellt, dass menschliche Fibroblasten auch menschliche Melanomzellen regulieren können, um 3D-Sphäroide zu bilden.
Wir verwendeten menschliche metastasierende Melanomzellen, C8161, in unserem multizellulären 3D-Sphäroid-Modell. Wir testeten auch andere menschliche Melanomzellen, zum Beispiel 1205Lu32, die dieBRAF-V600E-Mutation trägt, und MeWo, das hohe Konzentrationen von CDK4/Kit (ATCC HTB-65) ausdrückt, und fanden heraus, dass sie auch in der Lage sind, 3D-Sphäroide in der Cokultur zu bilden. Dies deutet darauf hin, dass die Bildung von 3D-Sphäroiden durch Tumorzellen unabhängig von den Arten von onkogenen Mutationen ist. Obwohl wir nicht getestet haben, ob andere Arten von Nicht-Melanom-Tumorzellen in der Lage sind, 3D-Sphäroide mit Fibroblasten zu bilden, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Bildung von 3D-Sphäroiden nicht auf eine Melanom-Zelllinie beschränkt ist und möglicherweise nicht von einer bestimmten Krebszelllinie abhängt.
Wir zeigten zwei Beispiele für praktische Anwendungen unseres 3D-Sphäroidmodells. Ein Beispiel war die Aufklärung der intrazellulären Notch Signalsignalsignalsignalaktivität bei der Regulierung des Krebsstamms/initiierenden Zellphänotyps und der 3D-Sphäroidbildung. Wir haben gezeigt, dass der intrazelluläre Notch-Signalweg in CAF ein molekularer Schalter ist, der den Phänotyp von Krebsstamm-/initiierenden Zellen mit diesem 3D-Sphäroidmodell steuert. Unsere Ergebnisse decken nicht nur einen molekularen Mechanismus auf, der der stromalen Regulation von Krebsstamm/initiierenden Zellen und Krebsheterogenität zugrunde liegt, sondern zeigen auch, dass der Notch-Signalweg in CAF ein kritisches Ziel für Melanom-Therapeutika ist. Dieses Beispiel zeigt, dass unser 3D-Sphäroidmodell sehr nützlich ist, um die Mechanismen für krebszellstromale Fibroblasten-Wechselwirkungen zu untersuchen und potenzielle therapeutische Ziele zu identifizieren. Ein weiteres Beispiel war die Prüfung der arzneimittelen Reaktion von Krebsstamm/anitiierenden Zellen in Gegenwart von CAF. Es ist allgemein bekannt, dass die medikamentöse Reaktion von Krebszellen, einschließlich Krebsstamm/anitiierende Zellen, in Gegenwart und Abwesenheit von CAF variiert. Die Anwesenheit von CAF in diesem In-vitro-System macht dieses Modell klinisch relevanter und generierte Testergebnisse zuverlässiger. Darüber hinaus ist unser 3D-Sphäroidsystem vielseitig einsetzbar. Es kann für verschiedene Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel, wenn medikamentenresistente Krebszellen in diesem 3D-Modell verwendet werden, kann es geändert werden, um Die Arzneimittelresistenz und vielleicht Tumorrezidiv e.B. zu adressieren. Es kann auch modifiziert werden, um Medikamente zu testen oder zu untersuchen, die in erster Linie CAF für die Krebsbehandlung zielen. CAF sind in letzter Zeit vielversprechende therapeutische Ziele geworden. Die Ausrichtung auf CAF bietet Vorteile. Erstens, im Vergleich zu Tumorzellen, die abnormal (oft mit genetischen Veränderungen) und intelligent (leicht gewinnen Resistenz gegen Chemo- und Radiotherapien), CAF im Tumorgewebe sind normale Zellen und genetisch stabiler, so dass sie weniger wahrscheinlich Resistenzen gegen die Behandlungen zu entwickeln. Zweitens hängt die Ausrichtung von CAF nicht von der Art der onkogenen Mutationen in den Tumorzellen ab. Drittens kann das Targeting von CAF durch Fibroblasten-abhängige Antitumor-, Anti-Angiogenese und/oder die modulierende Krebsimmunantwort mehrere Treffereffekte erzielen. Unser 3D-Sphäroid-Modell ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Entdeckung verschiedener Krebstherapiestrategien.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Dr. Omaida C. Velazquez (University of Miami) für die hilfreiche Zusammenarbeit, Beratung und Diskussion; Dr. Jie Li (University of Miami) für die Bereitstellung von MeWo-Zellen; und Dr. Meenhard Herlyn (The Wistar Institute) für die Versorgung aller anderen Melanomzellen. Wir danken auch Dr. Marcia Boulina, Direktorin der Analytical Imaging Core Facility, University of Miami, für die bildgebende Analyse. Zhao-Jun Liu wurde durch Stipendien des Bankhead-Coley Cancer Research Program (Award Nr. 09BN-11), der Women es Cancer Association (das53. jährliche Stipendium) und interne Mittel der University of Miami unterstützt.
0.25% Trypsin-EDTA | Corning | 25-253-CI | |
24-well plate | Corning | 351147 | Non-tissue culture treated plate, 24-well, flat bottom with low evaporation lid |
Alex Fluor 488 goat anti-mouse IgG | Life Technology | A21202 | |
CaCl2 1.5 M | Sigma-Aldrich | C5670-500G | |
Collagenase, Type 1A | Sigma-Aldrich | C-2674 | 500 mg, 1 mg/mL concentration in DMEM. |
DakoCytomation | Dako | x0909 | |
DAPI | |||
Dispase Grade II | Roche Diagnostics | 165859 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium(DMEM) | Corning | 10-013-CV | |
Fetal Bovine Serum | VMR | 97068-085 | Premium Grade |
Fiji (ImageJ) | NIH | Free for downloading, no license needed. | |
IncuCyte Zoom 2016A | Essen Bioscience | ||
IncuCyte Zoom System | Essen Bioscience | ||
Insulin | Sigma-Aldrich | I1882 | |
L-15 Medium (Leibovitz) | Sigma-Aldrich | L1518 | |
Leica SP5 Inverted Confocal Microscope | Leica | ||
MCDB 153 Medium | Sigma-Aldrich | M7403-10X1L | |
Mouse anti α-SMA (smooth muscle actin), monoclone | Abcam | ab18640 | |
Olympus IX51 Inverted Fluorescence Microscope | Olympus | IX51 | |
Olymupus CellSens | Olympus | ||
PD0325901 | Selleckchem Chemicals | S1036 | |
Penicillin Streptomycin Solution | Corning | 30-002- CI | 100 X |
Sodium Bicarbonate 7.5% | Corning | 25-035-CI |