Целью данной статьи является предоставление протокола выделения и культивирования первичных связанных с раком фибробластов из сингенной мышиной модели тройного негативного рака молочной железы и их применения для доклинического исследования новых наночастиц, предназначенных для нацеливания на микроокружение опухоли.
Связанные с раком фибробласты (ЦАФ) являются ключевыми действующими лицами в контексте микроокружения опухоли. Несмотря на сокращение количества по сравнению с опухолевыми клетками, ЦАФ регулируют прогрессирование опухоли и обеспечивают защиту от противоопухоляющего иммунитета. Новые противоопухолевые стратегии направлены на ремоделирование микроокружения опухоли путем абляции проопухолевых ЦАФ или перепрограммирования функций ЦАФ и их статуса активации. Перспективным подходом является разработка наноразмерных агентов доставки, способных нацеливаться на ЦАФ, что позволяет осуществлять специфическую доставку лекарств и активных молекул. В этом контексте клеточная модель ЦАФ может стать полезным инструментом для скрининга in vitro и предварительного исследования таких наноформуляций.
Это исследование описывает выделение и культуру первичных КАФ из сингенной мышиной модели 4T1 тройного негативного рака молочной железы. Магнитные шарики использовались в 2-ступенчатом процессе разделения для извлечения ЦАФ из диссоциированных опухолей. Иммунофенотипирование контроля проводили с помощью проточной цитометрии после каждого прохода для проверки выхода процесса. Изолированные CAF могут быть использованы для изучения способности нацеливания различных наноформуляций, предназначенных для борьбы с микроокружением опухоли. Флуоресцентно меченые Н-ферритиновые нанокажи использовались в качестве наночастиц-кандидатов для создания метода. Наночастицы, либо голые, либо сопряженные с целевым лигандом, были проанализированы на их связывание с ЦАФ. Результаты показывают, что экстракция ex vivo ЦАФ молочной железы может быть полезной системой для тестирования и проверки наночастиц для специфического нацеливания на опухолевые ЦАФ.
В течение последних десятилетий стало ясно, что уничтожения опухолевых клеток обычно недостаточно для искоренения злокачественных новообразований, так как микроокружение опухоли может вызвать рецидив опухоли и вызвать терапевтическую резистентность1,2. Затем появилась новая парадигма: нацеливание на опухолевую строму, чтобы лишить опухоль поддерживающих факторов и, таким образом, повысить эффективность химиотерапии3,4,5. В частности, связанные с раком фибробласты (ЦАФ) являются интересной стромальной мишенью во многих солидных опухолях6,7. КАФ представляют собой очень гетерогенную группу клеток, которые взаимодействуют с раковыми клетками и клетками иммунной системы посредством секреции факторов роста, цитокинов и хемокинов; наращивать и реконструирует внеклеточный матрикс; и обеспечивают образование метастазов8,9,10,11,12. В зависимости от типа опухоли, ЦАФ проявляют проопухолевые функции, в то время как другие подтипы ЦАФ, по-видимому, имеют опухолеподавляющие функции13,14. Чтобы лучше прояснить эту дихотомию, важна тщательная характеристика ЦАФ из первичных и метастатических опухолей.
В этом контексте новая область исследований была сосредоточена на разработке наноразмерных агентов, предназначенных для нацеливания и / или разрушения КАФ путем доставки активных молекул и лекарств, способных ремоделировать микросреду опухоли15,16,17,18. Несколько типов наночастиц были разработаны для достижения АБЛЯЦИИ CAF цитотоксическими препаратами, для индуцирования фотодинамической терапии, нацеленной на CAF, или для перепрограммирования CAF путем возвращения их в состояние покоя или индуцирования экспрессии лигандов, связанных с АПОПТОЗом, индуцированной апоптозом, которая индуцирует апоптоз соседних раковых клеток16,19. Более того, потенциал многих наночастиц для активного нацеливания на конкретные биологические маркеры дает надежду на выбор подмножеств CAF для нацеливания. Хотя его абсолютная специфичность для CAF все еще ставится под сомнение, белок активации фибробластов (FAP) является одной из наиболее перспективных мишеней проопухолюменной стромы и используется для управления доставкой нанопрепаратов, тем самым прокладывая путь для разработки CAF-таргетной нанотерапевтики20,21,22.
В этой статье описывается выделение первичных КАФ из сингенной модели рака молочной железы у мыша и сообщается об их использовании при изучении способности нацеливания наночастиц, разработанных для распознавания маркера CAF, FAP. Ферритиновые наноказы используются в качестве потенциальных наносистем для настройки способа, так как их специфичность доставки может быть сформирована поверхностным воздействием целевых объектов23,24. Более того, ферритины были успешно доказаны как отличные биосовместимые челноки для противоопухолевых применений, запускающие быстрое накопление полезной нагрузки в опухолевой массе25,26,27. На сегодняшний день доклинические исследования CAF-таргетных наносистем включали в себя тестирование vitro на клеточных линиях фибробластов, стимулируемых в культуре с трансформацией фактора роста-бета для индуцирования активации клеток и экспрессии некоторых иммунофенотипических особенностей CAF28,29. Этот метод обычно применяется к увековеченным клеточным линиям (таким как NIH3T3, LX-2) и является довольно быстрым и простым, давая активированные клетки за несколько часов или дней. Ограничение заключается в том, что, хотя стимуляция in vitro индуцирует экспрессию некоторых генов, приписываемых активированным миофибробластам, она не может полностью резюмировать все биологические особенности реальных CAF, особенно их гетерогенность in vivo.
Другая стратегия предполагает извлечение первичных ЦАФ из образцов опухолей человека или мыши30,31. Это гарантирует, что активация CAF происходит в физиологическом контексте и что гетерогенность субпопуляций CAF сохраняется. В соответствии с целью исследования, CAF могут быть получены из разных источников, что позволяет изучить наиболее надежное состояние. Протокол, о котором сообщается здесь, будет полезен для ученых, которые стремятся выполнить предварительную оценку функциональности новых наночастиц, предназначенных для нацеливания на CAF из модели рака молочной железы мыша. Изолированные CAF будут полезны для скрининга тех наночастиц, которые достаточно перспективны, чтобы продолжить оценку in vivo на животных моделях рака. Это будет актуально на первых этапах производства наночастиц, что приведет нанотехнологий к совершенствованию дизайна наночастиц, в основном рассматривая стратегию иммобилизации лигандов для достижения оптимальных свойств нацеливания.
CAF становятся ключевыми игроками в ремоделировании внеклеточного матрикса, способствуя прогрессированию метастазирования и ограничивая доступ к лекарственным средствам к опухолевой площадке34. Однако из-за их гетерогенности их роли все еще противоречивы — некоторые КАФ являются опухолегенными, тогда как некоторые другие подтипы, по-видимому, играют роль опухолеподавляющей. В этом контексте их изоляция может представлять чрезвычайный интерес, чтобы пролить больше света на их много обсуждаемую роль в прогрессировании рака, что будет иметь важные клинические последствия12,31. Кроме того, успешная экстракция CAF из моделей опухолей человека и доклинических мышей также облегчит разработку новых препаратов, нацеленных на CAF. В этой статье сообщается о методе эффективного выделения и культивирования первичных ЦАФ из сингенной доклинической модели рака молочной железы. Основываясь на опыте, три экспериментальных шага в основном влияют на успех протокола.
Первый работает быстро, чтобы избежать агрегации клеточных суспензий, связанных с риском свертывания в колонке и замедления оттока клеток: на самом деле, когда клетки, прошедшие через столбец, были сгруппированы вместе, вероятность неоптимального процесса изоляции увеличивалась, а конечные культуры содержали «загрязняющие» клеточные клоны. Второй – объединение клеток из разных опухолей после прохождения истощения, чтобы гарантировать достаточное количество клеток для прохождения на заключительном этапе обогащения. Последней критической проблемой является покрытие извлеченных клеток с высокой плотностью клеток, скорее всего, начиная с одной скважины из 24-скважинной пластины, чтобы стимулировать рост клеток и расширение колонии до 4-5 проходов. Если клетки были посеяны при низкой плотности, они расширялись на свободной поверхности и быстро переставали размножаться.
В нескольких исследованиях уже описаны методы экстракции CAF как человеческого, так и мышиного происхождения, чтобы изучить их роль в содействии развитию рака и инвазивности. Это было сделано при многих типах опухолей, включая рак молочной железы, меланому, холангиокарциному и аденокарциному поджелудочной железы35,36,37,38. Однако из-за отсутствия специфических маркеров CAF и их неоднородности результаты этих процессов все еще являются неоптимальными.
Здесь изолированные клетки были использованы для проверки способности НАЦЕЛИВАНИЯ CAF на нанокажей HFn, функционализированных с анти-FAP-целевыми элементами. Использование первичных культур CAF было значительным преимуществом, позволяющим валидировать наностратегию ex vivo с гораздо более простым и экономически эффективным экспериментом по связыванию, чем делать это непосредственно in vivo на этом предварительном этапе оптимизации нанонаругических средств.
В этом смысле тестирование ex vivo на ЦАФ может предшествовать экспериментам in vivo на животных, позволяя проводить скрининг и отбор наиболее перспективных наночастиц для оптимального нацеливания CAF. Представленная здесь модель CAF также может быть использована для предварительных исследований эффективности при загрузке наночастиц активными лекарственными средствами. Животные будут использоваться только позже для оценки биораспределения, фармакокинетики и исследований эффективности.
В настоящее время разрабатывается несколько нанолекарственных КАФ-таргетинга, таких как ферритиновые нанокажи для фотодинамической терапии при раке молочной железы и частицы на основе пептидов для доставки доксорубицина в моделях рака предстательной железы39,40. Тем не менее, не многие исследования были сосредоточены на выделении CAF в качестве клеточных платформ для оптимизации нанонарокарственных устройств.
Этот протокол имеет некоторые ограничения. Во-первых, это трудоемкий протокол, требующий подготовки и закупки нескольких реагентов и материалов. Во-вторых, из-за дефицита ЦАФ в опухоли молочной железы 4T1 их выход низкий. Эксперименты с наночастицами должны планироваться и проводиться, как только будет достигнуто необходимое количество клеток, так как первичные КАФ подвергаются старению и не могут поддерживаться в культуре в течение длительного времени. В заключение, этот метод выделения, культивирования и характеристики КАФ может стать мощным инструментом для ускорения разработки новых целевых наномедицин в борьбе с раком.
The authors have nothing to disclose.
Это исследование было поддержано Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro (AIRC) в рамках проекта IG 2017-ID. 20172 – P.I. Corsi Fabio. SM признает Педиатрический клинический исследовательский центр «Ромео и Энрика Инверницци», который поддерживает ее позицию. AB благодарит AIRC (id. 20172 project) и Миланский университет за исследовательскую стипендию. Постдокторские и докторские стипендии LS и MS поддерживаются Миланским университетом.
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 |