Cet article vise à fournir un protocole pour l’isolement et la culture de fibroblastes primaires associés au cancer à partir d’un modèle murin syngénique du cancer du sein triple négatif et leur application pour l’étude préclinique de nouvelles nanoparticules conçues pour cibler le microenvironnement tumoral.
Les fibroblastes associés au cancer (CAF) sont des acteurs clés dans le contexte du microenvironnement tumoral. Bien qu’ils soient réduits en nombre par rapport aux cellules tumorales, les CAF régulent la progression tumorale et offrent une protection contre l’immunité antitumorale. Les stratégies anticancéreux émergentes visent à remodeler le microenvironnement tumoral par l’ablation des CAF pro-tumorigènes ou la reprogrammation des fonctions des CAF et de leur statut d’activation. Une approche prometteuse est le développement d’agents d’administration nanométriques capables de cibler les CAF, permettant ainsi l’administration spécifique de médicaments et de molécules actives. Dans ce contexte, un modèle cellulaire de CAF peut fournir un outil utile pour le dépistage in vitro et l’étude préliminaire de ces nanoformulations.
Cette étude décrit l’isolement et la culture des CAF primaires à partir du modèle murin syngénique 4T1 du cancer du sein triple négatif. Les billes magnétiques ont été utilisées dans un processus de séparation en 2 étapes pour extraire les CAF des tumeurs dissociées. Le contrôle de l’immunophénotypage a été effectué à l’aide de la cytométrie en flux après chaque passage pour vérifier le rendement du processus. Des CAF isolés peuvent être utilisés pour étudier la capacité de ciblage de différentes nanoformulations conçues pour s’attaquer au microenvironnement tumoral. Des nanocages de H-ferritine marqués par fluorescence ont été utilisés comme nanoparticules candidates pour mettre en place la méthode. Les nanoparticules, nues ou conjuguées avec un ligand de ciblage, ont été analysées pour leur liaison aux CAF. Les résultats suggèrent que l’extraction ex vivo des CAF du sein peut être un système utile pour tester et valider les nanoparticules pour le ciblage spécifique des CAF tumorigènes.
Au cours des dernières décennies, il est devenu clair que tuer les cellules tumorales n’est généralement pas suffisant pour éradiquer la malignité, car le microenvironnement tumoral peut provoquer une rechute tumorale et induire une résistance thérapeutique1,2. Un nouveau paradigme a alors émergé : cibler le stroma tumoral pour priver la tumeur de facteurs de soutien et ainsi, augmenter l’efficacité des agents chimiothérapeutiques3,4,5. En particulier, les fibroblastes associés au cancer (CAF) sont une cible stromale intéressante dans de nombreuses tumeurs solides6,7. Les CAF sont un groupe très hétérogène de cellules qui interagissent avec les cellules cancéreuses et les cellules du système immunitaire par la sécrétion de facteurs de croissance, de cytokines et de chimiokines; construire et remodeler la matrice extracellulaire; et permettre la formation de métastases8,9,10,11,12. Selon le type de tumeur, les CAF montrent des fonctions pro-tumorigènes, tandis que d’autres sous-types de CAF semblent avoir des fonctions suppressives de tumeur13,14. Pour mieux clarifier cette dichotomie, une caractérisation approfondie des CAF des tumeurs primaires et métastatiques est importante.
Dans ce contexte, un domaine de recherche émergent s’est concentré sur le développement d’agents nanométriques conçus pour cibler et/ou détruire les CAF en délivrant des molécules actives et des médicaments capables de remodeler le microenvironnement tumoral15,16,17,18. Plusieurs types de nanoparticules ont été conçus pour réaliser l’ablation CAF par des médicaments cytotoxiques, pour induire une thérapie photodynamique ciblée par CAF, ou pour reprogrammer les CAF en les ramenant à un état de repos ou en induisant l’expression de ligand induite par l’apoptose liée au TNF, qui induit l’apoptose des cellules cancéreuses voisines16,19. De plus, le potentiel de nombreuses nanoparticules à cibler activement des marqueurs biologiques spécifiques donne lieu à l’espoir de sélectionner des sous-ensembles CAF à cibler. Bien que sa spécificité absolue pour le CAF soit encore remise en question, la protéine d’activation des fibroblastes (FAP) est l’une des cibles les plus prometteuses du stroma pro-tumorigène et est exploitée pour orienter l’administration de nanomédicaments, ouvrant ainsi la voie au développement de nanothérapies ciblant les CAF20,21,22.
Cet article décrit l’isolement des CAF primaires à partir d’un modèle syngénique du cancer du sein murin et rapporte leur utilisation dans l’étude de la capacité de ciblage des nanoparticules conçues pour reconnaître le marqueur CAF, FAP. Les nanocages de ferritine sont utilisés comme nanosystèmes candidats pour mettre en place la méthode, car leur spécificité d’administration peut être façonnée par l’exposition de surface des fractions de ciblage23,24. De plus, les ferritines se sont avérées être d’excellentes navettes biocompatibles pour les applications antitumorales, déclenchant une accumulation rapide de la charge utile dans la masse tumorale25,26,27. À ce jour, des études précliniques de nanosystèmes ciblant les FAC ont impliqué des tests in vitro sur des lignées cellulaires de fibroblastes stimulées en culture avec un facteur de croissance transformant bêta pour induire l’activation cellulaire et l’expression de certaines caractéristiques immunophénotypes des CAF28,29. Cette méthode est généralement appliquée aux lignées cellulaires immortalisées (telles que NIH3T3, LX-2) et est assez rapide et simple, produisant des cellules activées en quelques heures ou quelques jours. Une limitation est que bien que la stimulation in vitro induise l’expression de certains gènes attribués aux myofibroblastes activés, elle ne peut pas récapituler entièrement toutes les caractéristiques biologiques des CAF réels, en particulier leur hétérogénéité in vivo.
Une autre stratégie consiste à extraire des CAF primaires à partir d’échantillons de tumeurs humaines ou de souris30,31. Cela garantit que l’activation des FAC se produit dans un contexte physiologique et que l’hétérogénéité des sous-populations des FAC est maintenue. Selon l’objectif de recherche, les CAF peuvent provenir de différentes sources, offrant ainsi la possibilité d’étudier la condition la plus fiable. Le protocole présenté ici serait précieux pour les scientifiques qui cherchent à effectuer une évaluation préliminaire de la fonctionnalité de nouvelles nanoparticules conçues pour cibler les CAF à partir d’un modèle murin de cancer du sein. Les CAF isolés seraient utiles pour le dépistage des nanoparticules suffisamment prometteuses pour procéder à une évaluation in vivo dans des modèles animaux de cancer. Cela sera pertinent lors des premières étapes de la production de nanoparticules, conduisant les nanotechnologues vers le raffinement de la conception des nanoparticules en considérant principalement la stratégie d’immobilisation des ligands pour atteindre des propriétés de ciblage optimales.
Les CAF apparaissent comme des acteurs clés dans le remodelage de la matrice extracellulaire, la promotion de la progression des métastases et la limitation de l’accès aux médicaments au site tumoral34. Cependant, en raison de leur hétérogénéité, leurs rôles sont encore controversés – certains CAF sont tumorigènes, tandis que d’autres sous-types semblent avoir un rôle suppresseur de tumeurs. Dans ce contexte, leur isolement peut être d’un intérêt extrême pour faire la lumière sur leur rôle très débattu dans la progression du cancer, qui aura d’importantes implications cliniques12,31. De plus, l’extraction réussie de CAF à partir de modèles tumoraux humains et précliniques de souris faciliterait également le développement de nouveaux médicaments ciblant les CAF. Cet article présente une méthode permettant d’isoler et de mettre en culture efficacement les CAF primaires à partir d’un modèle préclinique syngénique du cancer du sein. Sur la base de l’expérience, trois étapes expérimentales influencent principalement le succès du protocole.
La première consiste à travailler rapidement pour éviter l’agrégation des suspensions cellulaires associées au risque de coagulation dans la colonne et de ralentissement de l’efflux cellulaire: en fait, lorsque les cellules qui ont traversé la colonne ont été regroupées, la probabilité d’un processus d’isolement sous-optimal a augmenté et les cultures finales contenaient des clones de cellules « contaminantes ». La seconde consiste à mettre en commun les cellules de différentes tumeurs après le passage de l’épuisement pour garantir suffisamment de cellules à traverser dans l’étape finale d’enrichissement. Le dernier problème critique est le placage des cellules extraites à des densités cellulaires élevées, probablement à partir d’un seul puits de la plaque de 24 puits pour stimuler la croissance cellulaire et l’expansion des colonies jusqu’à 4 à 5 passages. Si les cellules étaient ensemencées à de faibles densités, elles se dilataient sur la surface libre et cessaient rapidement de se répliquer.
Plusieurs études ont déjà décrit les méthodes d’extraction des FAC d’origine humaine et souris, afin d’étudier leur rôle dans la promotion du développement du cancer et de l’invasivité. Cela a été fait dans de nombreux types de tumeurs, y compris le cancer du sein, le mélanome, le cholangiocarcinome et l’adénocarcinome pancréatique35,36,37,38. Cependant, en raison de l’absence de marqueurs CAF spécifiques et de leur hétérogénéité, les résultats de ces processus sont encore sous-optimaux.
Ici, les cellules isolées ont été utilisées pour valider la capacité de ciblage CAF des nanocages HFn fonctionnalisés avec des fractions de ciblage anti-FAP. L’utilisation de cultures primaires de CAF a été un avantage significatif, permettant la validation de la nanostratégie ex vivo avec une expérience de liaison beaucoup plus simple et rentable que de le faire directement in vivo à cette phase préliminaire de l’optimisation des nanomédicaments.
En ce sens, les essais ex vivo sur les CAF peuvent précéder les expérimentations animales in vivo en permettant le criblage et la sélection des nanoparticules les plus prometteuses pour le ciblage optimal des FAC. Le modèle CAF présenté ici peut également être utilisé pour des études préliminaires d’efficacité, lors du chargement de nanoparticules avec des médicaments actifs. Les animaux ne seront utilisés que plus tard pour évaluer la biodistribution, la pharmacocinétique et les études d’efficacité.
Plusieurs nanomédicaments ciblant les FAC sont en cours de développement, tels que des nanocages de ferritine pour la thérapie photodynamique dans le cancer du sein et des particules à base de peptides pour délivrer de la doxorubicine dans les modèles de cancer de la prostate39,40. Cependant, peu d’études se sont concentrées sur l’isolement des CAF en tant que plates-formes cellulaires pour l’optimisation des nanomédicaments.
Ce protocole présente certaines limites. Tout d’abord, il s’agit d’un protocole qui prend beaucoup de temps, nécessitant la préparation et l’achat de plusieurs réactifs et matériaux. Deuxièmement, en raison de la rareté des CAF dans la tumeur mammaire 4T1, leur rendement est faible. Les expériences sur les nanoparticules doivent être planifiées et réalisées dès que le nombre de cellules requis est atteint, car les CAF primaires subissent une sénescence et ne peuvent pas être maintenues en culture pendant une longue période. En conclusion, cette méthode d’isolement, de culture et de caractérisation des CAF peut être un outil puissant pour accélérer le développement de nouveaux nanomédicaments ciblés dans la lutte contre le cancer.
The authors have nothing to disclose.
Cette étude a été soutenue par l’Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro (AIRC) dans le cadre du projet IG 2017-ID. 20172 – P.I. Corsi Fabio. SM reconnaît le centre de recherche clinique pédiatrique « Romeo and Enrica Invernizzi » qui soutient sa position. AB remercie l’AIRC (projet ID. 20172) et l’Université de Milan pour leur bourse de recherche. Les bourses postdoctorales et doctorales LS et MS sont soutenues par l’Université de Milan.
ACK Lysing buffer | Lonza | 10-548E | Store at +15° to +30 °C. |
Alexa Fluor 488 goat anti-human antibody | Immunological Science | IS-20022 | Protect from light. |
Anti-FAP Fab fragment (3F2) | Creative Biolabs | TAB-024WM-F(E) | |
BALB/c mice | Charles River | 028BALB/C | 7 weeks old female mice |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A7906 | Store at 2-8 °C. |
CD45 antibody | Miltenyi Biotec | 130-110-796 | FITC-conjugated fluorescent antibody; clone REA 737; Store protected from light at 2–8 °C. |
CD90.2 antibody | Miltenyi Biotec | 130-102-960 | PE-conjugated fluorescent antibody; clone 30-H12; Store protected from light at 2–8 °C. |
Cell strainers 70 µm | VWR | 732-2758 | |
CytoFLEX | Beckman Coulter | laser configuration B4-R2-V0 | |
Dead cell Removal Kit | Miltenyi Biotec | 130-090-101 | contains 10 mL of Dead Cell Removal MicroBeads; 25 mL of 20× Binding Buffer Stock Solution. Store protected from light at 2−8 °C. |
D-Luciferin | Caliper | 760504 | reagent for in vivo imaging |
DMEM High Glucose w/o L-Glutamine w/ Sodium Pyruvate | Euroclone | ECB7501L | Warm at 37 °C in a water bath before use. |
DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
DPBS w/o Calcium, w/o Magnesium | Euroclone | ECB4004L | Keep at room temperature. |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | E9884 | |
Fetal Bovine Serum | Euroclone | ECS0180L | Before use, heat at 56 °C for 30 min to kill all the complement proteins. |
Fluorescein Istothiocyanate isomer I (FITC) | Sigma-Aldrich | F7250 | Store protected from light at 2–8 °C. |
GentleMACS C Tubes | Miltenyi Biotec | 130-096-334 | They are used in combination with the gentleMACS Dissociator. |
GentleMACS dissociator | Miltenyi Biotec | 130-093-235 | Two samples can be processed in parallel. Special protocols have been developed for various tissues. |
Goat serum | Euroclone | ECS0200D | |
Ham's F12 w/o L-Glutamine | Euroclone | ECB7502L | Warm at 37 °C in a water bath before use. |
IVIS Lumina II imaging system | Caliper Life Sciences | This imaging system is easy to use for both fluorescent and bioluminescent imaging in vivo. Equipped with a Living Image Software for analysis | |
LD columns | Miltenyi Biotec | 130-042-901 | Composed of ferromagnetic spheres, designed for stringent depletion of unwanted cells. Position the required number of columns on the magnetic Separation Unit and equilibrate with buffer before use |
L-Glutamine | Euroclone | ECB3000D | 200 mM stock |
Light/fluorescence microscope equipped with camera | Leica Microsystems | DM IL LED Fluo/ ICC50 W CameraModule | inverted microscope for live cells with camera |
MACS MultiStand | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | |
MACS Separation Unit | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | Position the magnet on appropriate stand before use. |
MACS Tissue Storage Solution | Miltenyi Biotec | 130-100-008 | |
MS columns | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | Composed of ferromagnetic spheres, designed for positive selection of cells. Position the required number of columns on the magnetic Separation Unit and equilibrate with buffer before use. |
Mycoplasma Removal Agent | Euroclone | ECMC210A | Dilute in culture medium 1:100. |
NaHCO3 | Invitrogen | A10235 | |
Nanodrop spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | ND-2000C | |
Non essential aminoacids | Euroclone | ECB3054D | |
Penicillin-Streptomycin | Euroclone | ECB3001D | |
Recombinant Human apoferritin H-homopolymer (HFn) | Molirom | MLR-P018 | |
RPMI 1640 w/o L-Glutamine | Euroclone | ECB9006L | Warm at 37 °C in a water bath before use. |
Tumor-Associated Fibroblast Isolation kit | Miltenyi Biotec | 130-116-474 | Contains 1 mL of Non-Tumor-Associated Fibroblast Depletion Cocktail, mouse; 1 mL of CD90.2 (Tumor-Associated Fibroblast) MicroBeads,mouse. Store protected from light at 2-8 °C. |
Tumor Dissociation Kit | Miltenyi Biotec | 130-096-730 | Contains lyophilized enzymes (D, R, A) and buffer A; reconstitute enzymes according to the manufacturer's instructions, aliquot and store at – 20 °C. |
Trypan blue 0.4% | Lonza | 17-942E | dilute 1:1 with a sample of cell suspension before counting the cells |
TrypLE select | Gibco | 12563-029 | use at room temperature |
Trypsin-EDTA | Lonza | BE17-161E | Warm at 37 °C in a water bath before use |
T75 Primo TC flask | Euroclone | ET7076 | |
Zeba Spin Desalting Columns | Thermo Fisher Scientific | 89890 | 7K MWCO, 2 mL |
1.5 mL tubes | Biosigma | CL15.002.0500 | |
15 mL tubes | Euroclone | ET5015B | |
4T1-luc2 | Caliper | Mouse mammary gland cancer cell line stably transfected with firefly luciferase gene | |
50 mL tubes | Euroclone | ET5050B |