Los esferoides tumorales se utilizan cada vez más para evaluar las interacciones entre células tumorales y microambientes y la respuesta a la terapia. El presente protocolo describe un método robusto pero simple para imágenes de semi-alto rendimiento de esferoides tumorales 3D utilizando una limpieza óptica rápida.
Los esferoides tumorales se están convirtiendo rápidamente en algo común en la investigación básica del cáncer y el desarrollo de fármacos. La obtención de datos sobre la expresión de proteínas dentro del esferoide a nivel celular es importante para el análisis, sin embargo, las técnicas existentes a menudo son costosas, laboriosas, utilizan equipos no estándar, causan una distorsión significativa del tamaño o se limitan a esferoides relativamente pequeños. Este protocolo presenta un nuevo método de montaje y limpieza de esferoides que aborda estos problemas al tiempo que permite el análisis confocal de la estructura interna de los esferoides. A diferencia de los enfoques existentes, este protocolo prevé el montaje y la limpieza rápidos de un gran número de esferoides utilizando equipos estándar y suministros de laboratorio. El montaje de esferoides en una solución de gel de agarosa-PBS de pH neutro antes de introducir una solución de limpieza con índice de refracción minimiza la distorsión del tamaño común a otras técnicas similares. Esto permite un análisis cuantitativo y estadístico detallado donde la precisión de las mediciones de tamaño es primordial. Además, en comparación con las soluciones de limpieza líquida, la técnica de gel de agarosa mantiene los esferoides fijos en su lugar, lo que permite la recopilación de imágenes confocales tridimensionales (3D). El presente artículo explica cómo el método produce imágenes de alta calidad en dos y 3D que proporcionan información sobre la variabilidad intercelular y la estructura esferoide interna.
Los cultivos celulares tridimensionales (3D), como los esferoides, proporcionan modelos biológicamente realistas y reproducibles del crecimiento celular agregado 1,2. Estos modelos se están convirtiendo rápidamente en algo común tanto en la investigación básica como en el desarrollo de fármacos, donde se examinan las diferencias en el tamaño y la estructura de los esferoides entre los tratamientos para determinar la eficacia del fármaco 3,4. En estos contextos, la capacidad de recopilar información detallada de un gran número de esferoides es altamente ventajosa, tanto desde una perspectiva de poder estadístico como para permitir una evaluación rápida del comportamiento celular en varios tratamientos.
Las técnicas comúnmente utilizadas para obtener imágenes de microscopía detalladas de la estructura esferoide consumen mucho tiempo, son costosas o producen imágenes de baja calidad que no conservan características cuantitativas clave, como el tamaño del esferoide 4,5. Por ejemplo, las técnicas histológicas basadas en la crioseccionamiento pueden proporcionar imágenes de alta calidad, pero a menudo consumen mucho tiempo, requieren mano de obra calificada y, a menudo, crean artefactos de seccionamiento 6,7, mientras que las tecnologías elegantes, como la microscopía de iluminación de un solo plano (SPIM)8 y la microscopía multifotónica9 requieren microscopios especializados que no están fácilmente disponibles. Las tecnologías modernas de microscopía han permitido recientemente la llamada seccionamiento óptico, donde los esferoides se colocan dentro de una solución de limpieza de índice de refracción coincidente y las imágenes se obtienen utilizando microscopía confocal 4,5. Si bien estas técnicas tienen el potencial de producir un alto rendimiento, los problemas comunes incluyen el movimiento de los esferoides durante la toma de imágenes, la distorsión del tamaño durante la limpieza y el alto gasto de las soluciones de limpieza patentadas. Además, muchos protocolos existentes se aplican solo a esferoides relativamente pequeños de menos de 300 μm de diámetro o profundidad de hasta 100 μm, lo que limita la tecnología a las primeras etapas del crecimiento tumoral 5,10,11.
El presente protocolo permite la recolección de imágenes esferoides detalladas de alto rendimiento y semi-alto rendimiento utilizando una solución de limpieza de índice de refracción de bajo costo derivada de procedimientos de limpieza de órganos completos12,13. Para evitar el movimiento de los esferoides durante la toma de imágenes y proporcionar soporte estructural para reducir la distorsión del tamaño, los esferoides se montan en gel de agarosa-PBS en una placa de fondo de vidrio # 1.5 de 24 pocillos. Dado que esta técnica permite montar múltiples esferoides en cada pozo en una placa de 24 pocillos, se pueden montar rápidamente hasta 360 esferoides (15 esferoides / pozo) y obtener imágenes rápidamente en diversas condiciones experimentales. Se utiliza una solución de limpieza con índice de refracción construido a partir de consumibles fácilmente disponibles para limpiar ópticamente los esferoides montados y el gel circundante. Después de un período de asentamiento de 24 h, este protocolo proporciona imágenes 2D y 3D de alta calidad de la estructura esferoide, incluso para esferoides relativamente grandes (aproximadamente 700 μm de diámetro), con menos del 2% de distorsión de tamaño.
Aquí se presenta un protocolo para obtener imágenes bidimensionales y tridimensionales de alta calidad de esferoides tumorales. Los métodos existentes, como CLARITY, See deep brain (SeeDB) y ScaleS, a menudo causan distorsión del tamaño hasta en un 30%, mientras que técnicas como el alcohol bencílico / benzoato de bencilo (BABB) y las imágenes 3D de órganos eliminados con solventes (3DISCO) pueden apagar la proteína fluorescente18. Muchos de estos métodos están diseñados para limpiar el tejido con integridad estructural y distorsionar el tamaño y la estructura cuando se aplican a los esferoides18. A diferencia de otros protocolos que utilizan soluciones de compensación costosas disponibles comercialmente, este protocolo utiliza consumibles fácilmente disponibles mientras mantiene la claridad óptica y la fluorescencia endógena y minimiza la distorsión del tamaño. La incrustación de esferoides en gel de agarosa-PBS proporciona soporte estructural para los esferoides y minimiza el choque osmótico cuando se agrega la solución de limpieza. Esto es crucial cuando se toman imágenes de esferoides frágiles después del tratamiento farmacológico. Se supone que este método de limpieza óptica es adecuado para esferoides formados por cualquier método, ya que este protocolo está adaptado de la limpieza de tejido entero. La suposición se basa en la similitud en los esferoides obtenidos por diferentes métodos de formación de esferoides. La elección del fijador puede afectar el tamaño de los esferoides, así como la fluorescencia endógena. Este método de limpieza es adecuado para esferoides fijados con solución neutra de PFA al 4%. Se requieren pruebas adicionales para verificar su compatibilidad con otros fijadores.
Dado que esta técnica permite montar múltiples esferoides simultáneamente en una placa de múltiples pocillos, es muy adecuada para tuberías de análisis cuantitativo que requieren información de estructura esferoide de hasta 360 esferoides por placa de 24 pocillos. Los microscopios con funciones automatizadas de mapeo de etapas y placas pueden hacer que las imágenes sean menos manuales. A pesar de que este método es más rápido y fácil que la seccionamiento, actualmente no es adecuado para una automatización completa. Sin embargo, las imágenes obtenidas por este método son adecuadas para el procesamiento automatizado de imágenes 4,19, y la velocidad a la que se pueden montar los esferoides utilizando este protocolo se presta al análisis cuantitativo de la estructura interna de los esferoides 20,21,22.
Para teñir esferoides enteros, la concentración de anticuerpos, el volumen y el tiempo de incubación deben optimizarse para cada anticuerpo. Como guía, use 2.5x de la concentración recomendada de anticuerpos de inmunofluorescencia 2D y 100-200 μL de anticuerpos, dependiendo del número de esferoides por tubo. Asegúrese de que todos los esferoides estén cubiertos de solución de tinción cuando esté en el rotor. El tiempo de incubación depende de muchos factores, incluyendo el tamaño y la densidad de los esferoides y el anticuerpo, y puede variar de 16-72 h. A pesar de que el método permite la detección de señales más profundas dentro del esferoide, los fluoróforos excitados por UV causan una dispersión significativa de la luz, lo que lleva a una baja relación señal-ruido. Se debe tener cuidado al elegir fluoróforos para visualizar la proteína objetivo. Por ejemplo, la tinción de proteínas menos abundantes y estructurales con fluoróforos de longitud de onda más larga y tinciones proteicas o nucleares más abundantes con fluoróforos de longitud de onda más corta logrará el mejor resultado. Finalmente, los esferoides borrados todavía muestran pérdida de luz debido a la dispersión en el núcleo necrótico, evidente en la dimensión y/z de las imágenes obtenidas de esferoides de 600 μm (Figura 2C).
Las imágenes de mayor aumento con objetivos NA más altos son posibles con esferoides montados y despejados utilizando este protocolo, pero la distancia de trabajo del objetivo limita la profundidad de la imagen. Para una lente de inmersión en aceite, es importante utilizar aceite que tenga un RI de 1.51 para obtener el mejor resultado.
Para resumir, el método de limpieza incrustada en gel de agarosa-PBS permite la visualización de las células en el interior de los esferoides utilizando consumibles comúnmente disponibles. Los esferoides montados y limpiados utilizando este método sufren una distorsión de tamaño mínima y mantienen su integridad estructural, lo que permite la recopilación de datos de alta calidad relacionados con la estructura esferoide interna y la posterior cuantificación automatizada.
The authors have nothing to disclose.
Esta investigación se llevó a cabo en el Instituto de Investigación Traslacional (TRI), Woolloongabba, QLD. El TRI cuenta con el apoyo de una subvención del Gobierno australiano. Agradecemos al personal de la instalación central de microscopía del TRI su excelente apoyo técnico. Agradecemos al Prof. Atsushi Miyawaki, RIKEN, Wako-city, Japón, por proporcionar las construcciones de FUCCI, al Prof. Meenhard Herlyn y a la Sra. Patricia Brafford, The Wistar Institute, Philadelphia, PA, por proporcionar las líneas celulares. Agradecemos a la Dra. Loredana Spoerri por proporcionar imágenes de criosección C8161.
Este trabajo fue apoyado por subvenciones de proyectos a N.K.H.: Australian Research Council (DP200100177) y Meehan Project Grant (021174 2017002565).
#1.5 glass bottom 24-well plate | Celvis | P24-1.5H-N | |
500 µL clear PCR tubes | Sigma | HS4422 | |
Alexa Fluor 647 AffiniPure Donkey Anti-Mouse IgG (H+L) | Jackson Immuno research | 715-605-151 | Dilution used 1:500 |
Bovine serum albumin | Sigma | A7906 | Final concentration 2% w/v |
DAPI | Sigma | D9542-10MG | Final concentration 5 µg/mL |
Deionized water | MILLI Q | ||
Donkey anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 647 | Thermofisher | A-31573 | Dilution used 1:500 |
DRAQ7 | Thermofisher | D15106 | Dilution used 1:250 |
Heating block | Ratek | DBH10 | or similar equipment |
Hypoxyprobe Kits | Hypoxyprobe | HP1-1000Kit | Antibody dilution used 1:500 |
Low-melting agarose powder | Sigma | A9414 | Final concentration 2% w/v |
Microwave | Sharp | ||
N,N,N′,N′-Tetrakis(2-Hydroxypropyl)ethylenediamine | Sigma | 122262 | Final concentration 9% w/w |
NaCl | Sigma | S9888 | Final concentration 150 mM |
NaN3 | Sigma | S2002 | Final concentration 0.10% w/v |
p27 Kip1 (D69C12) XP | Cell Signalling technology | 3686S | Dilution used 1:500 |
Paraformaldehyde solution | Proscitech | C004 | Final concentration 4% w/v |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermofisher | 18912014 | Final concentration 1x |
Pipette | Eppendorf | ||
Quickspin minifuge | or similar equipment | ||
Roller | Ratek | BTR10-12V | or similar equipment |
Rotor | Ratek | RSM7DC | or similar equipment |
Shaker | Ratek | EOM5 | or similar equipment |
Sucrose | Sigma | S9378 | Final concentration 44% w/w |
Tris-HCl pH 7.4 | Sigma | T5941 | Final concentration 20 mM |
Triton X-100 | Sigma | X100 | Final concentration 0.10% v/v |
Triton X-100 | Sigma | X100 | Final concentration 0.1% v/v |
Tween 20 | Sigma | P1379 | Final concentration 0.1% v/v |
Urea | Sigma | U5379 | Final concentration 22% w/w |