Hier beschrijven we live-cel beeldvormingstechnieken voor het kwantitatief meten van de migratie en invasie van de cellen van de stam van tumor van de hersenen van glioblastoma na verloop van tijd en onder meerdere behandeling voorwaarden.
Glioblastoma (GBM) is een agressieve hersentumor die slecht wordt beheerd met de momenteel beschikbare behandelingsopties. Belangrijkste kenmerken van GBMs zijn snelle verspreiding en doordringende invasie in de normale hersenen. Herhaling wordt beschouwd als gevolg van de aanwezigheid van radio – en chemo-resistant hersenen tumor stamcellen (BTSCs) die uit de buurt van de eerste kanker massa binnenvallen en, dus, het onttrekken van chirurgische resectie. Vandaar, therapieën die gericht zijn op BTSCs en hun invasieve capaciteiten kunnen verbeteren het anders slechte prognose van deze ziekte. Onze fractie en anderen hebben met succes vastgesteld en gekenmerkt BTSC culturen van GBM-patiënten monsters. Deze BTSC culturen aantonen fundamentele Kanker stamcel eigenschappen zoals clonogenic self-renewal, multi lineage differentiatie en tumor inleiding bij immuun-deficiënte muizen. Om te verbeteren op de huidige therapeutische benaderingen voor GBM, is het nodig een beter inzicht in de mechanismen van BTSC migratie en invasie. In GBM is de studie van migratie en invasie beperkt, gedeeltelijk als gevolg van de beperkingen van de bestaande technieken die geen volledig rekening met de kenmerken van groei in vitro van BTSCs gegroeid als neurospheres. Hier beschrijven we snelle en kwantitatieve live-cel imaging tests om te studeren zowel de migratie en invasie eigenschappen van BTSCs. De eerste methode beschreven is de BTSC migratie bepaling die de migratie naar een chemoattractant verloop meet. De tweede methode beschreven is de BTSC invasie bepaling welke beelden en kwantificeert een cellulaire invasie van neurospheres in een matrix. De hier beschreven tests worden gebruikt voor de kwantificering van BTSC migratie en invasie na verloop van tijd en omstandigheden van de verschillende behandeling.
Glioblastoma (GBM) is de meest voorkomende en agressieve vorm van hersenkanker en, ondanks de huidige therapie waarbij chirurgische resectie gevolgd door straling en chemotherapie, de mediane overleving van patiënten is een loutere 15 maanden1. GBM is invasieve, zeer resistente en uiteindelijk, een ongeneeslijke ziekte die vereist voortgezet onderzoek in haar inherente biologie teneinde nieuwe therapeutische mogelijkheden. Het hoge sterftecijfer van GBM-patiënten wordt voornamelijk veroorzaakt door de uitgebreide cellulaire invasie in aangrenzende normale hersenweefsel en de migratie langs bloedvaten, die leidt tot een herhaling van de ziekte na behandeling2,3 . Een subset van cellen, hersenen tumor stamcellen (BTSCs), die langzaam fietsen en therapeutisch bestendig, genoemd hebben zijn veronderstelde om te leiden tot een herhaling van de ziekte. GBM BTSCs beeldschermeigenschappen van clonogenic zelf-vernieuwing, multipotent en initiëren van tumor potentiële4,5,6. BTSCs behouden ook de fenotypische, genetische en moleculaire heterogeniteit van hun bovenliggende GBM tumoren7,8,9,10. Deze eigenschappen maken de BTSCs een nuttig modelsysteem voor de studie van GBM en voor het verkennen van nieuwe therapeutische strategieën. In vivo, deze cellen van de stam-achtige staat tumor vorming, groei en invasie wanneer de hersenen van neonatale ratten11 ingeplant zijn en nietzwaarlijvige diabetische/ernstige gecombineerde immuundeficiëntie (knik/SCID) muizen4. Het vermogen van BTSCs om herhaaldelijk invasieve tumoren in vivo die de cellulaire en histologische kenmerken van hun oorspronkelijke tumoren sterk recapituleren ondersteunt hun rol als inleiding van tumor cellen12.
Nieuwe therapeutische benaderingen zijn ontwikkeld naar doel BTSCs en helpen bij het verbeteren van het lange termijn resultaat voor GBM-patiënten. Momenteel, is er beperkte begrip van de cellulaire processen van migratie en invasie die gekoppeld aan therapeutische weerstand en herhaling zijn. Migratie en invasie zijn verschillende verschijnselen; migratie is het proces ten grondslag liggen aan het geleide verkeer van cellen en houdt de reorganisatie van het cytoskelet, celadhesie-moleculen en montage/demontage van focal contactpunten, overwegende dat invasie ook de fysieke vernietiging van belemmeringen zoals een extracellulaire matrix13. Een algemeen aanvaarde methode voor het bestuderen van de cel migratie en invasie is de Boyden kamer assay14,15. Voor deze techniek, is een dubbele kamer gevuld met media, met de media in de onderste zaal aangevuld met een chemoattractant. Chemotaxis is geactiveerd met behulp van specifieke groeifactoren of cytokines, of foetale runderserum als een niet-specifieke chemoattractant. Naar aanleiding van het verloop van de chemoattractant, cellen migreren door de poreuze membraan. Aan het eindpunt, kunnen de gemigreerde cellen worden gevisualiseerd en gekwantificeerd aan de onderkant van het membraan door kleuring met cytologische of fluorescerende kleurstoffen. De Boyden migratie assay kan worden aangepast om een bepaling van de invasie door de poreuze coating filteren met componenten van de extracellulaire matrix zoals type I collageen of een kelder membraan-achtige matrix. Invasieve cellen degraderen van de matrix, doorlopen naar de onderkant van de poreuze filter en kunnen worden gekwantificeerd op een gelijkaardige manier aan de bepaling van de migratie. Andere veelgebruikte migratie testen omvatten de kras wond en cel exclusieve zone13testen. De bepaling van de kras wond wordt uitgevoerd door een gat in een cellulaire enkelgelaagde krabben en observeren van de migratie van de cellen van de rand van de wond tegen denkbaar met regelmatige tussenpozen, totdat de kras is gesloten. In de cel uitsluiting assay, wordt een fysieke barrière gebruikt voor het maken van een cel-vrije zone voorafgaand aan het zaaien van de cellen. De barrière is verwijderd zodra de cellen worden confluente en de migratie van de cellen in de cel-vrije zone is beeld regelmatig16.
Deze eerder vastgestelde tests worden vaak gebruikt voor het bestuderen van de migratie of de invasie van het aanhangend en homogene cel populaties maar pose aanzienlijke nadelen bij de studie van GBM BTSCs of andere heterogene kanker cel populaties. De bepaling van Boyden kamer kan alleen eindpunt metingen versus een kinetische beoordeling van cel verkeer genereren. Een observatie na verloop van tijd is van groot belang voor de meting van BTSC migratie, gezien het feit dat cellen uit verschillende culturen vaak op verschillende tarieven migreren. Als zodanig, de voorwaarden en de timing van de bepaling moet worden geoptimaliseerd voor elk type van cultuur en tijdrovende arbeid vereist voor adequate monsterneming en kwantificering. De uitsluiting van het kras en cel testen zijn niet geschikt voor BTSC culturen zoals, zelfs wanneer BTSCs worden gekweekt onder enkelgelaagde voorwaarden op laminin beklede platen, we hebben gezien dat BTSCs lijken te weerstaan beweging in de open ruimte en liever verblijven sluiten nabijheid van andere cellen. Bovendien vastgesteld deze migratie testen niet toestaan voor de visualisatie en bewaking van de afzonderlijke cellen in een experiment. De controle van afzonderlijke cellen na verloop van tijd is waardevol voor de beoordeling van de migratie in heterogene cel populaties, zoals BTSCs. bijkomende nadelen van de tests van de Boyden kamer, kras en cel-uitsluiting de zone voor BTSC culturen zijn die zij vereisen relatief hoge cel nummers, kan tijdrovend zijn om in te stellen, en ofwel snel equilibreer of hebben niet een chemoattractant verloop. Deze testen zijn als zodanig niet ideaal om te gebruiken voor zeldzame of langzaam groeiende cel populaties of drug screening. Deze testen zijn bovendien niet geschikt voor het meten van een invasie in een driedimensionale (3D)-formaat, dat vooral belangrijk voor BTSCs gegroeid onder neurosphere omstandigheden is.
Hier beschrijven we testen specifiek aangepast voor de observatie en kwantificering van de migratie voor afzonderlijke BTSCs en voor de invasie van GBM BTSCs gekweekt als neurospheres. De eerste bepaling wordt een aanpassing van de Boyden kamer bepaling met behulp van live-cel time-lapse beeldvorming en een chemotaxis migratie plaat voor het meten van de Chemotactische cel migratie13beschreven. Live-cel imaging in een multi goed formaat zorgt voor de visualisatie en kwantificering van cel migratie onder meerdere behandeling voorwaarden. De tweede test hier beschreven is een sferoïde invasie assay13,17, welke maatregelen de invasieve eigenschappen van BTSCs gekweekt onder neurosphere omstandigheden en ingebed in een 3D extracellulaire matrix onder verschillende behandeling voorwaarden. Deze tests zijn over het algemeen veel meer compatibel dan eerder beschreven methoden voor het bestuderen van de eigenschappen van het trekkende en invasieve van heterogene BTSC culturen. Ze bieden ook betere mogelijkheden voor het onderzoek naar nieuwe therapeutische strategieën te richten op zowel migratie en invasie, die aanzienlijk tot de herhaling van de ziekte en de letaliteit bijdragen.
Gezien het feit dat kankercellen actief zijn prolifererende, vormt dit een potentiële technische uitdaging voor de studie van cel migratie. Voor de migratie assay hier beschreven, BTSCs zijn vergulde zonder groeifactoren, die beperkt de proliferatie, en het verloop van de chemoattractant van de plaat chemotaxis doet niet volledig equilibreer gedurende 72 uur. Bovendien, als de cellen worden gecontroleerd met behulp van live-cel imaging na verloop van tijd, kunnen cellen visueel erop worden toegezien wijdverbreide celdeling zich niet voordoet. Voor het welslagen van de bepaling van de migratie is het belangrijk te distantiëren van de neurospheres volledig naar afzonderlijke cellen en nauwkeurig de cel het aantal getallen tellen voordat plating. Plating bollen of plating teveel cellen, wat resulteert in het samendoen, kunt voorkomen dat cellen migreren via de kleine poriën (figuur 4A en 4B). Het is ook belangrijk te voorkomen dat er bubbels wanneer de cellen in de chemotaxis migratie plaat plating of bij het plaatsen van het membraan invoegen op het onderste reservoir. Bubbels kunnen wijzigen van het vlak van de focus en nauwkeurige kwantificering (figuur 4C) voorkomen. De gehele plaat moet worden bedekt met een dun laagje van collageen omdat dit cellen een oppervlak om te navigeren naar de poriën in het slagperk, geeft aangezien deze bepaling cellen om te voldoen vereist aan en vervolgens migreren over een biologisch relevante oppervlak naar de chemoattractant.
Het BTSC migratie protocol beschreven hier voorziet de kinetische beoordeling van afzonderlijke cel migratie, vereisen minder cellen voor het testen van de voorwaarden van de verschillende behandeling in vergelijking met de bestaande protocollen. Dit is belangrijk voor de culturen die heel langzaam, groeien aangezien het moeilijk is om te verzamelen van een groot aantal cellen voor experimenten kan zijn. De lage porie-dichtheid van de chemotaxis migratie plaat zorgt voor een trage evenwichtsinstelling van het verloop van de chemoattractant, groter is dan 72 uur, en effectiever bootst het biologisch proces van Chemotactische migratie over een langere periode van tijd. Het protocol is geoptimaliseerd om een zeer dunne laag van collageen coating op de plaat chemotaxis migratie om ervoor te zorgen dat de bepaling maatregelen migratie en niet invasie. Het vergemakkelijkt ook beeldvorming en de kwantificering van afzonderlijke cellen als ze voldoen aan de matrix van de collageen coating van de membraan invoegen. Een beperking van de techniek is echter dat de kwantificering van de migratie over meerdere putten na verloop van tijd sterk vereenvoudigde en versnelde met behulp van commerciële software (Zie Tabel van materialen). Een opmerkelijke voordeel van de migratie-assay is zoals hier beschreven het brede aanpassingsvermogen van het protocol bij andere celtypes. Het is vooral handig voor het kwantificeren van de Chemotactische migratie van cellijnen die beide langzame groeiende zijn, moeilijk te houden, of te langzaam migreren.
Om te verzekeren het succes van de BTSC invasie test, is het noodzakelijk om te verzamelen van neurospheres voordat ze groter is worden dan 200 µm. grotere bollen een vlak van de focus thats te groot is hebben om consequent image & kwantificeren (figuur 5C). Bovendien, neurospheres kunt beginnen met de klomp en samenvoegen met andere neurospheres. Dit geldt voor de verwerving van nauwkeurige en consistente gegevens. Bovendien, is het essentieel dat de neurospheres zijn toegestaan te vestigen op de bodem van de put, terwijl de collageen nog steeds op het ijs is, om de neurospheres aan zijn beeld in een enkele vlak van de focus (figuur 5D). Ook is het belangrijk dat het collageen volledig instellen zonder te bewegen van de plaat omdat dit de vorming van een zelfs matrix, die ongunstig de kwaliteit van de afbeelding (figuur 5D beïnvloeden kan) kan verstoren. Voor de invasie van BTSC assay hier beschreven, is een van de grote voordelen dat BTSCs gekweekt als neurospheres kunnen worden beoordeeld voor invasie rechtstreeks, zonder de noodzaak om te worden adherently gekweekt. Bovendien kan BTSC neurospheres worden ingebed in de extracellulaire matrix, met behulp van afzonderlijke componenten van de extracellulaire matrix van een bepaald weefsel of met behulp van een mengsel van verkrijgbare kelder membraan. Vermelding van de extracellulaire matrix kan helpen om te identificeren of het testen van specifieke mechanismen van invasie. Bijvoorbeeld, met dit protocol is het mogelijk om te beoordelen van het effect van de doelgerichtheid van de individuele leden van de familie van de metallopeptidase matrix van genen, waarvan bekend is dat het degraderen van specifieke matrix onderdelen. Als alternatief, hoewel dit protocol specifiek voor de BTSC neurospheres is, gegroeid als bollen cellen kunnen worden gebruikt op een soortgelijke manier. Voorbeelden zijn borstkankercellen gekweekt als mammospheres of primaire colorectal kankercellen gekweekt als tumorspheres; Dit beperkt echter de techniek om celtypes die als bollen in een cultuur groeien kan. Andere voordelen van zowel de migratie en invasie tests zijn dat ze gemakkelijk zijn aan opstelling, ze in een 96-Wells-indeling werken en de gegevens kwantificeerbare na verloop van tijd is.
Globaal, om te voorkomen dat nabehandeling GBM herhaling, is het essentieel om te ontwikkelen van methodologieën die vergemakkelijken van het onderzoek van BTSC migratie en invasie. Het protocol van de migratie beschreven hier biedt vele voordelen ten opzichte van de eerder vastgestelde migratie testen, vooral voor de studie van GBM BTSCs. Dit verbeterde migratie-protocol omvat BTSCs gekweekt onder neurosphere omstandigheden en afzonderlijke cellen in een 96-Wells collageen beklede chemotaxis migratie plaat plating distantiëren. Met behulp van een live-cel imaging systeem, kan de migratie van BTSCs worden gecontroleerd en gekwantificeerd na verloop van tijd. De bepaling van de invasie hier beschreven staat voor de monitoring van de invasies van de BTSC van neurospheres in een matrix. Deze bepaling impliceert neurospheres inbedden in een matrix van collageen, of een andere eiwitrijke extracellulaire matrix, in een 96-wells-plaat. Beeldvorming van de plaat met een live-cel time-lapse imaging systeem zorgt voor de analyse van BTSC invasies onder omstandigheden van de verschillende behandeling na verloop van tijd. Deze testen, vandaar, geven een waardevol instrument wetenschappers hoop voor een beter begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de BTSC migratie en invasie.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs bedanken Rozina Hassam en Orsolya Cseh voor hun technische ondersteuning. Dit onderzoeksproject werd gedeeltelijk ondersteund door subsidies van de Foundation van Canada voor innovatie (naar H. Artee Luchman en Samuel Weiss) en de cel van de stam netwerken van Canada (ook aan H. Artee Luchman en Samuel Weiss).
Rat Collagen I | Trevigen | 3440-100-01 | |
Matrigel matrix | Corning | 356230 | |
NaOH | VWR | BDH3247-1 | |
Acetic Acid | Millipore Sigma | AX0073-6 | |
96-well plates | Eppendorf | 30730119 | |
T25 Nunc EasYFlask | ThermoFisher | 156367 | |
Falcon 15ml conical tube | ThermoFisher | 352096 | |
Incucyte ClearView 96-Well Chemotaxis plate | Essen Bioscience | 4582 | |
IncuCyte Zoom Live-Cell Analysis System | Essen Bioscience | 4545 | |
IncuCyte Zoom Live-Cell Analysis Software | Essen Bioscience | 2016A Rev1 | |
Accumax cell detachment solution | Innovative Cell Technologies | AM105 | |
Penicillin, streptomycin | Sigma | P4333 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma | D8537 | |
Culture grade water | Lonza BioWhittaker | 17-724Q | |
Fetal bovine serum (FBS) | Invitrogen | 12483-020 |