A surgical procedure was developed to deliver mammary tumor cells to the murine liver via portal vein injection. This model permits investigation of late stages of liver metastasis in a fully immune competent host, including tumor cell extravasation, seeding, survival, and metastatic outgrowth in the liver.
乳癌は、世界中の女性の癌関連死亡の主要な原因です。 15ヶ月 – 肝転移のみ4.8の平均生存率と予後不良の乳癌の転移を有する例30%の上向きにし、その結果に関与しています。原発腫瘍細胞異種移植片と自発腫瘍モデルを含む、乳癌転移の現在のげっ歯類モデルは、まれに肝臓に転移しません。心臓内および脾臓内注射モデル肝転移を生じないが、しかし、これらのモデルは、注射部位での腫瘍の成長を回避するために起因する脾臓の除去に付随する二次部位への転移によって、または妥協免疫によって混乱することができます。改良された肝転移モデルの必要性、開発された肝臓に最初に直接腫瘍細胞に送達するマウス門脈注入法に対処します。このモデルは、他の臓器や脾臓の除去における同時転移の合併症なしで肝臓に腫瘍細胞を提供します。オプト血液損失を制御するために、注射部位を10μl、≥32ゲージの針、および止血ガーゼ – imized門脈プロトコルは、5の小さな注入量を採用しています。様々な転移の可能性の3同系乳腺腫瘍株を使用したBalb / c雌マウスにおける門脈注入アプローチを試験しました。高転移性4T1細胞、中程度の転移性D2A1細胞、および低転移性D2.OR細胞。あまり積極的なD2.ORラインのためのより高い転移性4T1とD2A1線で肝転移の開発のための40日間、および> 55日 – 20〜の待ち時間で≤10,000細胞/注入結果の濃度。このモデルは、肝臓への乳癌転移を研究するための重要なツールであり、しばしば、結腸直腸および膵臓腺癌を含む肝臓に転移する他の癌にも適用可能です。
肝臓への乳癌転移
肝臓、骨および肺1-3とともに、乳癌転移の一般的な部位です。乳癌患者における肝転移は4.8から15ヶ月6-9に肝転移範囲を有する乳癌患者の生存期間の中央値として、非常に予後不良4,5のための独立した予後因子です。これとは対照的に、肺または骨転移を有する乳癌患者は9 27.4ヶ月8,9及び16.3〜56ヶ月それぞれ8,10-12、メジアン生存率を有します。転移は、原発腫瘍における腫瘍細胞の播種で始まりによる遠隔臓器13-15内の循環腫瘍細胞の播種および成長に患者の死亡率で終わる転移カスケードと呼ばれる多段階プロセスです。 10% – 転移のげっ歯類モデルは、転移カスケードのみが0.02で、著しく非効率的であることを明らかにしました顕性転移16,17を確立する腫瘍細胞を循環させます。転移性の非効率性の1つの主要なボトルネックを理解部位特異的転移の重要性を強調し、転移性ニッチ18と呼ばれる、セカンダリサイトでのユニークな組織微小環境によって決定されます。転移性のニッチの再発部位に特有であり、かつ、部分的には、別個の細胞外マトリックスタンパク質19,20の堆積、種々の免疫細胞集団21-23の浸潤、および多数のサイトカインの調節不全の生産を含む改変された組織の恒常性によって特徴付けられます、ケモカイン、および成長因子15,18,24,25。このように、組織特異的転移性のニッチを理解することは、転移性疾患を対象とする方法の理解を先行します。しかし、肝転移の堅牢なモデルが欠けています。さらに、肝転移の改善されたモデルは、乳癌患者ののwiのための新たな標的と効果的な治療を識別するために不可欠となります第肝臓転移。
肝臓への乳癌転移を研究するためのモデルを確立
現在、肝臓に乳癌転移を研究するための利用可能なモデルは、免疫不全マウスにおけるヒト癌細胞の異種移植片を含みます。 – / – 、またはSCID免疫低下マウスホスト26〜29これらのモデルは、典型的には、MCF-7及びMDA-MB-231およびヌード、RAG1としてよく研究ヒト乳癌細胞株を使用します。異種移植モデルは、ヒト由来の癌細胞株を含むことの利点を提供し、しかし、転移30-32および治療抵抗33-35で免疫細胞のための最近の感謝を与え、完全に免疫適格宿主における転移の研究は非常に重要です。または外科手術せずに、乳房脂肪パッドに同系の腫瘍細胞( 例えば 、4T1とD2A1細胞株)の同所性注入を含む免疫有能なホストで肝臓に乳癌転移を研究するためのモデル原発腫瘍の切除、および転移36-38のその後の評価。注目すべきは、同所移植モデルからの肝転移の速度は、肺39,40のような他の転移部位に比べて非常に低いか、存在しない、または肺転移が確立された後に発生し、肝臓特異的転移37,39の研究を複雑。
自発的な遺伝子操作された乳癌モデル由来の腫瘍外植片が同系の腫瘍細胞としてナイーブ宿主の乳房脂肪パッドに再注入することができます。例えば、それは最近、同所野生型宿主に注入した場合、K14 のCre ECAD F / Fの P53のF / Fマウスからの自発的な腫瘍がどのモデル浸潤性小葉乳癌、腫瘍を発症することが報告されました。それらが15mm 2に達すると、これらの腫瘍の外科的切除に続いて、マウスの18%は、肝転移40,41に進行しました。肝転移の利用をモデル化するための第三のアプローチ遺伝子操作されたマウスにおける自然転移。現在までに、容易に肝臓に広がっ乳癌転移の自発的なマウスモデルの報告はまれです。例外は、H19-IGF2、p53のfpの/ FP MMTV-CreをWAPベースのCre、およびK14 のCre ECAD F / Fの P53を含むF肝転移がマウスの低い割合で発症遺伝子操作されたマウスモデルで、f / 38,41- 43。遺伝子操作したマウスモデルは、転移カスケード、強力かつ臨床的に関連するモデルを提供するのすべての段階の研究を促進しつつ、それらが原因で肝転移38の低い速度に制限されています。
いくつかの転移モデルは、原発腫瘍と血管内からの腫瘍細胞の播種を含む転移カスケードの初期段階をバイパスします。これらのモデルは、血管外漏出からセカンダリサイトでの腫瘍の確立に、転移カスケードの後のステップへの調査を可能にします。 int型racardiac注入モデルは、大動脈を介して循環系に腫瘍細胞を分配する左心室の中に腫瘍細胞を送達します。心臓内注射は、注射部位の超音波ガイド付きイメージングまたはそのようなルシフェラーゼの生物発光などの他の画像診断法は、細胞が成功した注射を確認するためにタグ付けさが必要です。左心室を介した腫瘍細胞の注射は、他の器官44-48の間、骨、脳、肺、および/または肝転移をもたらすことができます。そのため、多臓器転移のため、これらのマウスは頻繁に完全に肝内転移性増殖を調査する能力を否定、前顕性肝転移の発展に安楽死させる必要があります。大幅マルチサイト転移の発生を最小限に別のアプローチは、脾臓内注射モデルです。脾臓内注射は門脈49,50になるために上腸間膜静脈と合流脾静脈を介して腫瘍細胞を提供します。動物はoutgrのために監視することができます肝臓での転移病巣のowth他の部位の転移の形成は稀であるため、結果として、動物の全体的な健康状態は49,50を維持されています。しかし、脾臓内モデルは、脾臓腫瘍49,50、衝撃免疫機能の手順を避けるために、脾臓摘出を必要とすることに留意することが重要です。例えば、心筋虚血再灌流障害は、脾臓に由来し、虚血51,52以下の創傷治癒中の貪食およびタンパク質分解活性を担当しているLy6C +単球サブセットの浸潤を特徴とします。脾臓摘出により、52創傷治癒に役立つ単球集団で観察された減少があります。さらに、脾臓摘出は、具体的に循環し、腫瘍内CCR2 +のCD11b + Ly6C +単球骨髄の数の減少を介して、非小細胞肺癌モデルにおける原発性腫瘍増殖および肺転移を減少させることが示されていますID細胞53。さらに、結腸癌細胞の脾臓内注射後の脾臓摘出は、腸間膜リンパ節および高い肝転移54における抗腫瘍NK細胞のレベルの低下をもたらしました。要するに、これらの知見は、脾臓摘出術は、転移性細胞の運命に対するその後の影響で免疫システムの役割を損なうことを示唆しています。
肝転移のポータル静脈注射モデル
マウスによる多臓器転移に損なわれない条件下で完全に免疫コンピテント宿主における肝臓への乳癌転移を調べるために、門脈注射モデルを開発しました。門脈内注入モデルは、結腸直腸55,56およびメラノーマ16細胞株の肝転移を研究するために以前に使用されてきました。ここでは、同系の乳腺腫瘍細胞の転移をモデル化するために門脈内注入の適用を説明します。このモデルは、研究するために使用することができます明白な病変に死/増殖/休眠、および成長に関する乳癌細胞溢出と播種、腫瘍細胞の運命決定を含む、転移カスケードの後期。このモデルでは、同系の乳腺腫瘍細胞株は、免疫適格のBalb / c雌マウスの門脈、脾臓を除去することなく、肝臓に最初に直接腫瘍細胞に送達する方法を介して注入されます。 D2.OR、D2A1、および4T1を、とに緑色蛍光タンパク質(D2A1-GFP)でタグ付けD2A1を採用している:このモデルを、ローからハイへの転移能力の範囲で4乳腺腫瘍細胞株の使用は、使用した開発するために、腫瘍細胞注射後の早い時点を調べます。 4T1は自発的にMMTV +のBalb / c雌マウス36,37で発生したと乳房脂肪パッド原発腫瘍39,57,58から肺、肝臓、脳、および骨に転移410.4腫瘍由来高転移性細胞株です。 D2A1腫瘍細胞WEReはまた、元々 D2過形成肺胞結節細胞の移植後のBalb / c系ホストで発生する自発的な乳腺腫瘍に由来し、そして肺59,60に原発腫瘍からの転移であることが確認されています。彼らは原発腫瘍を脱出し、セカンダリサイトに到着したもののD2.OR腫瘍細胞は、それらがめったに遠隔転移60,61を確立していない、D2A1ラインに非転移性の姉妹ラインであると。
加えて、非ステロイド性抗炎症薬(NSAID)の間、または外科的処置の後などの一般的に用いられる疼痛管理薬の使用を回避することが重要です。 NSAIDは、特定の乳癌において62-65の抗腫瘍活性を有し、NSAIDのいくつかのクラスは、潜在的に肝転移、肝臓転移性ニッチの研究を損なう、肝毒性66,67のリスクを高めます。さらに、研究は、NSAIDが直接プロ転移性の内線を削減、組織微小環境に影響を与えることを示唆していますracellularマトリックスタンパク質テネイシンC 68および繊維状コラーゲン62,65。代替的に、オピオイド誘導体、ブプレノルフィンの使用は、オピオイド、抗腫瘍活性70を有しているという証拠の欠如に起因するげっ歯類疼痛管理69とで、その有効性を使用しました。肝臓への不要な損傷を避けるために、10μlの – このポータル静脈注射モデルは5のより小さな注入量のために最適化しました。モデルはまた、小さい直径(≥32ゲージ)とすぐに処置中の血液損失を最小限に抑えるために、注入後の止血ガーゼを使用して針を含むように最適化されました。これらの最適化された注入パラメータとは対照的に、細胞数は、細胞株の腫瘍形成能に基づいて、個別に決定されるべきです。しかし、10,000細胞/長期試験のための注射が推奨さ≤から始まります。短いエンドポイント( 例えば、24時間後の注射)のために、かなり多くの腫瘍細胞( 例えば 、1×10 5 -保証される場合、1×10 6)を用いることができます。要約すると、ここでは詳述し門脈注入モデルは、肝臓への乳癌転移の研究のための有用なツールを表し、他の肝転移モデルの多くの制限を回避します。このモデルは、腫瘍細胞の血管外漏出、播種、免疫適格マウス宿主中で生存、増殖、および休眠、および転移性成長の初期の運命決定の研究を促進します。
BALB / cマウスポータル静脈注射モデルは、交絡多臓器転移の不在下で、完全に免疫適格宿主に肝臓での乳腺癌病変の研究が可能になります。私たちのプロトコルは、直接肝臓16,55,56への腫瘍細胞の注射のための門脈へのアクセスを許可する以前に公開された外科的手技の進歩です。我々が行った一つの進歩は著しく/注入万の腫瘍細胞を≤する≥1×10 5細胞/ダウン注射16,55,56から注入された腫瘍細胞の数を減少させることです。また、肝臓への乳癌転移の研究のためのモデルを拡大しています。このプロトコルを使用して、既知の転移の可能性を有する2つの乳癌細胞株は、より静止乳腺腫瘍細胞株よりも短い待ち時間で肝転移を発症します。また、初期の時点で、腫瘍細胞は、単一のCEの単一または小グループとして肝実質全体に分散されています腫瘍細胞注射後LLS。肝臓でのマイクロ転移性と明白な転移性疾患の発展に貢献し、すべての表現型 – モデルは、腫瘍細胞の血管外漏出、細胞の生存、休眠、および増殖などの転移効率の問題に対処する態勢を整えています。
研究を開始する前に門脈注入プロトコルの多くの側面を考慮することが重要です。慎重細胞株、細胞濃度、総細胞数、およびより小さな探索研究に基づいて関心のエンドポイントを決定することを強くお勧めします。さらに、免疫コンピテント宿主と同系の細胞株の使用は、宿主 – 腫瘍細胞の相互作用を理解するために最も重要です。脳下垂体前葉から新たに開発した「光るヘッド」のeGFPを発現するマウスとルシフェラーゼが、外因性のeGFP、ルシフェラーゼに対する宿主応答を排除するための重要なツールである、タンパク質は、しばしば乳腺腫瘍株75をタグ付けするために使用します</sup>。 「光る頭 "マウスと同系の使用は、腫瘍細胞がeGFPをまたはルシフェラーゼに対する炎症反応の心配なしIHCによって、単一の播種された細胞の容易な同定および微小転移巣を容易にするタグ付けされました。同様に、最小限の抗または薬物治療計画からプロ腫瘍への影響を確実にするために慎重に疼痛管理戦略を選択することを強くお勧めします。このプロトコルでの重要なステップは、これは任意の結果を混乱させるだろうとして、感染症が発生しないことを確実にするために手術を通じて無菌状態を維持することが含まれます。腫瘍細胞が肝臓に送達されることを保証するために、針が適切に門脈内に配置されていることも重要です。このような墨汁などの染料とのプロトコルを練習すると、この問題に役立ちます。皮膚切開部位での腫瘍の増殖は、不適切な針の配置が発生したことを最良の指標です。最後に、門脈からの血液損失を適切に制御し、suturiに完全に前に停止していることが重要です動物ngの。止血ガーゼの使用が大幅に注射後の門脈から制御されていない血液損失のリスクを減少させます。私たちの手で、手続きに関連する死亡による失血に門脈から次の注入は、止血ガーゼを使用したマウスの2%に30%から低下しました。
ポータル静脈注射モデルは完全な転移カスケードを複製しないことに注意することが重要であるが、腫瘍細胞の血管外漏出、血管外漏出および腫瘍の成長を以下の腫瘍細胞ニッチの相互作用の研究に限定されています。患者に起こるような正確に肝臓への完全な転移カスケードを複製するモデルは、緊急に必要とされています。門脈注射モデルの追加の制約は、それが疾患の進行76,77に影響することが知られている創傷治癒と、ホスト上の手術の影響によって混乱されることです。
門脈注入モデルは、他の注射の改善を示します心臓内および脾臓内モデルを含む肝転移を研究するためのモデル、。具体的には、門脈注入モデルは、多くの場合、他の組織の同時転移によって制限されている心臓内モデル、より疾患進行のより広い範囲の研究を可能にします。脾臓内モデルで行われているように、さらに、門脈モデルは、脾臓の除去によって複雑化されていません。
門脈注入モデルは、一般的には肝転移の研究のための有用なツールを証明することができます。肝転移は、特に高い膵臓癌料金(転移の85%が肝臓にある)、結腸および直腸腺癌(> 70%)、ならびに胃と食道(> 30で、全体の腺癌における転移の最も頻度の高いサイトです%)1。膵臓癌および結腸腺癌の自発的および同所性原発腫瘍モデルはより容易に肝臓78,79に転移するが、門脈静脈注射モデルはPROVあり腫瘍細胞の制御された送達として、これらの癌の転移過程を理解するための有用なeは、腫瘍細胞の到着後、指定した時間に、生化学的分子および組織学的評価を可能にします。要約すると、門脈注射モデルは、乳癌の利用可能な肝転移モデルの重要な改善を示し、また、一般に、肝転移の分野にも適用可能です。
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to acknowledge Alexandra Quackenbush for assisting with surgical procedures during filming of the video protocol, Hadley Holden for histological support, Sonali Jindal for input on tumor and liver pathology during method development, and Breanna Caruso for critical review of the manuscript. The D2A1 and D2.OR mammary tumor cells were a gift from Dr. Ann Chambers, the D2A1-GFP tumor cells were a gift from Dr. Jeffrey Green, and the 4T1 tumor cells were a gift from Dr. Heide Ford. The OHSU Advanced Light Microscopy Core at the Jungers Center was utilized for imaging. The work included in this manuscript includes funding from NIH/NCI NRSA F31CA186524 (to ETG) and NIH/NCI 5R01CA169175 (to PS).
1 ml Syringe w/ 26-gauge Needle | BD Syringe | 309597 | For subcutaneous buprenorphine injection; use caution, sharp |
Alcohol Prep Pads | Fisher Scientific | 06-669-62 | For cleaning of abdomen prior to surgical incision |
All Purpose Sponges, Sterile | Kendall | 8044 | 4" x 4", use dipped in sterile saline to keep large and small intestines protected and hydrated during surgery |
Artificial Tears | Rugby | 370114 | Mineral oil 15%, white petrolatum 83%; use to protect eyes during surgery |
Buprenorphine HCl, 0.3 mg/ml | Mfg. by Reckitt Benckiser | NDC-12496-0757-1 | Use at 0.05 – 0.1 mg/kg body weight, 1-2x daily for 72 hours, injected subcutaneously |
Bupivacaine HCl, 0.5% (5 mg/ml) | Mfg. by Humira Inc | NDC-04091163-01 | Use at 0.5%, 1x immediately after surgery, 10 ul injected subcutaneously at incision site |
anti-CD45 antibody | BD Pharmingen | 550539 | Use in multiplex immunofluorescence to exclude leukocytes in identification of metastatic foci |
Celox™ Rapid Hemostatic Gauze | Medtrade Products Ltd. | FG08839011 | Cut into 5mm² pieces, use to stop blood flow out of the portal vein with pressure following injection |
Chemical Depilatory | Use to remove hair from surgical area; multiple suppliers | ||
Chlorhexidine, 2% Solution | Vet One | 1CHL008 | Use caution, do not get chlorhexidine in mucous membranes or ears of the mouse |
anti-CK18 antibody | Abcam | ab53118 | Use in multiplex immunofluorescence to identify metastatic foci |
Cotton Tipped Applicators, Sterile | Fisher Scientific | 23-400-114 | 6" Wooden Shaft 2 pc/envelope |
DMEM, High-Glucose | HyClone | SH30243.01 | Cell culture media base for use with D2A1, D2.OR, and 4T1 mammary tumor cell lines |
Dry Glass Bead Sterilizer | Use between surgeries to sterilize stainless steel tools, use caution, extremely hot; multiple suppliers | ||
Ethanol, 70% solution | Use caution flammable; use to clean surgical area as needed; multiple suppliers | ||
Fetal Bovine Serum | HyClone | SH30071.03 | Cell culture media additive for use with D2A1, D2.OR, and 4T1 mammary tumor cell lines, use at 10% in DMEM high glucose |
Gauze, Sterile | Kendall | 2146 | 2" x 2", use dipped in chlorhexidine 2% solution for cleaning of abdomen prior to surgical incision |
anti-Green Fluorescent Protein antibody | Vector Laboratories | BA0702 | Use to stain for GFP tagged D2A1 or other mammary tumor cell lines |
L-Glutamine 200 mM (100X) | Gibco | 25030-081 | Cell culture media additive for use with D2A1, D2.OR, and 4T1 mammary tumor cell lines, use at 2 mM (1x) in DMEM high glucose |
Heating Pad, x2-3 | Use to maintain body heat during surgery and recovery; multiple suppliers | ||
Hemocytometer | Hausser Scientific | 1483 | For use in cell culture to count cells |
Hemostatic Forceps | Stainless steel; multiple suppliers | ||
anti-Heppar-1 antibody | Dako | M7158 | Use in multiplex immunofluorescence to exclude hepatocytes in identification of metastatic foci |
Insulin Syringe, 0.3 ml, 29-gauge | BD | 324702 | For bupivacaine injection at suture site; use caution, sharp |
Isoflurane | Piramal | NDC-66794-017-25 | Administered at 2.5% |
Isoflurane Vaporizer | VetEquip | 911103 | Use caution, vaporizes anesthetic gases |
Light Source | Use for visualizing the surgical field; multiple suppliers | ||
Neutral buffered formalin, 10% | Anatech Ltd. | 135 | Use caution, toxic; use as a tissue fixative for metastasis endpoints and assesment of metastatic burden by histology |
Opal™ 4-color fIHC kit | PerkinElmer, Inc. | NEL794001KT | Use for multiplex immunofluorescence of Heppar-1/CD45/CK18 to detect metastases in murine liver |
Operating Scissors | Stainless steel; use caution, sharp; multiple suppliers | ||
Penicillin/Streptomycin, 100x | Corning | 30-002-Cl | Cell culture media additive for use with D2A1, D2.OR, and 4T1 mammary tumor cell lines, use at 1x in DMEM high glucose |
Phosphate-buffered Saline | Use at 1x for resuspending tumor cells prior to injection, multiple suppliers | ||
Removable Needle Syringe, 25 ul, Model 1702 | Hamilton | 7654-01 | For portal vein injection; use caution, paricularly while working with tumor cell-loaded needles, sharp when needle is attached |
Scalpel handle | Stainless steel; multiple suppliers | ||
Scalpel blade, #15 | Carbon steel, sterile, size 15; multiple suppliers | ||
Small Hub Removable Needles, 32-gauge | Hamilton | 7803-04 | For portal vein injection, 1" length, point style 4, 12°angle, 33- to 34-gauge reusable needles can also be used; use caution, paricularly while working with tumor cell loaded needles, sharp |
Sodium Hypochlorite | Use caution, corrosive; use at 10% to disinfect workspace and surfaces, multiple suppliers | ||
Sterile Saline | Fisher Scientific | BP358-212 | 0.9% NaCl solution; alternatively, can be homemade and sterile filtered |
Surgical Gloves, Sterile | Multiple suppliers | ||
Sutures, Sterile | Ethicon | J310H | 4-0 27" coated vicryl w/ 22 mm 1/2c taper ethalloy needle; use caution, sharp |
Table Top Portable Anesthesia Machine | VetEquip | 901801 | Use with isoflurane vaporizer for mouse anesthesia |
Thumb Dressing Forceps | Stainless steel, serrated, blunted; multiple suppliers | ||
Towel Drapes, Sterile | Dynarex | 4410 | 18" x 26", to cover heating pad and provide a sterile workspace during surgery |
Trypan Blue | Life Technologies | T10282 | For use in cell culture to assess viability, use 1:1 with cells in 1x PBS |
Trypsin/EDTA, 0.05% (1x) | Gibco | 25300-054 | Use in cell culture to detach tumor cells from tissue culture plates |