利用三维人类生物凝胶培养系统,可将多形性胶质母细胞瘤的患者来源异种移植瘤微型化为活体微肿瘤。这种模拟体内环境的三维肿瘤检测方法适用于药物反应测试和分子谱型分析,包括激酶组学分析。
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利用三维人类生物凝胶培养系统,可将多形性胶质母细胞瘤的患者来源异种移植瘤微型化为活体微肿瘤。这种模拟体内环境的三维肿瘤检测方法适用于药物反应测试和分子谱型分析,包括激酶组学分析。
使用患者来源的异种移植瘤模型研究癌症,已在癌症生物学和药物反应性方面提供了重要见解。然而,此类模型耗时较长、成本高昂且劳动密集。为克服这些局限,许多研究团队转而采用癌细胞球状培养模型。尽管该模型具有一定价值,但肿瘤球状体或细胞聚集体无法模拟真实存在的细胞-基质相互作用 体内因此,利用细胞外基质支架的三维(3D)培养方法为研究提供了更为真实的模型系统。该方法始于皮下或颅内异种移植瘤,将肿瘤组织解离为单细胞悬液,类似于肿瘤干细胞神经球。随后将这些细胞嵌入人源性细胞外基质——3D人源生物胶(3D human biogel)中,以生成大量微肿瘤。有趣的是,这些微肿瘤可在高存活率条件下培养约一个月,可用于基于标准细胞毒性检测方法的药物反应测试,如3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四氮唑溴盐(MTT)检测,以及Calcein-AM活细胞成像。此外,还可通过免疫组织化学进行分析,或收集用于分子谱型分析,例如基于芯片的高通量激酶组谱型分析,本文亦对此进行了详细描述。因此,三维微肿瘤代表了一种多功能的高通量模型系统,能够更紧密地模拟 体内 肿瘤生物学研究相较于传统方法更具优势。
最常见的原发性颅内恶性脑肿瘤是III级星形细胞瘤和IV级多形性胶质母细胞瘤(胶质母细胞瘤或GBM)。目前在美国,针对GBM的治疗手段下,患者的预后较差,中位生存期仅为12至15个月1-3。多模式治疗包括手术、放疗和化疗,后者包含替莫唑胺(TMZ)以及靶向激酶的药物。在GBM中,激酶信号通路常出现异常调控,部分肿瘤表现出表皮生长因子受体(EGFR)的扩增或激活突变,血小板源性生长因子受体(PDGFR)信号增强,磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)活性升高,以及通过血管内皮生长因子受体(VEGFR)介导的促进肿瘤血管生成的信号通路增强,还有其他由激酶驱动的通路异常4-6。现有的体外和体内模型常常无法维持这些具有代表性的分子改变7。此外,基因谱分析尚未带来预期的临床益处,这可能反映出一个事实:基因和表观遗传改变并不总能预测蛋白质活性水平的变化——而大多数激酶靶向药物正是直接作用于该层面,其他作用机制的疗法也可能在此层面间接发挥作用。
传统的永生化细胞系可无限传代,因其易于维护和可重复性,长期以来一直是药物测试的标准模型。然而,该模型存在高营养(且人为)的生长环境,会筛选出快速增殖的细胞,这些细胞与原始肿瘤存在显著差异。因此,人们越来越关注开发更贴近实际的模型系统,以更好地反映患者体内所存在的复杂肿瘤生物学体系。直接从原代肿瘤在小鼠体内生长后建立的肿瘤异种移植模型("异种传代系,"即患者来源的异种移植模型,PDX)提供了一个更具代表性的模型体系,特别是在癌症治疗领域,因其被认为能更可靠地预测临床疗效。8 尽管该模型的生物学特性更接近真实情况,但其成本高昂,且建立和维持难度较大。此外,这类模型不适用于高通量研究。显然,迫切需要进一步开发能够更准确反映原发肿瘤分子改变的生物学模型,并利用激酶活性的直接检测方法(而非替代性遗传标志物)对这些模型进行分析和测试。
众所周知,与二维(2D)单层培养相比,三维(3D)或多细胞检测模型能够提供更接近生理状态的实验终点指标9-11常见的三维培养方法包括基质包被的微载体和细胞球体形成。肿瘤球体可通过搅拌瓶、聚羟乙基甲基丙烯酸酯(pHEMA)板和悬滴法等细胞聚集技术生成。这些方法的局限性包括:某些细胞无法形成稳定的球体、生长差异性以及在混合细胞类型中存在操作困难。此外,目前已开发出多种用于三维培养研究的合成基质(如水凝胶、聚合物)和动物来源基质(如从小鼠肉瘤中提取的Engelbreth-Holm-Swarm(EHS)基质、牛胶原蛋白)。12-14小鼠EHS基质被广泛使用,但已知会促进细胞生长和分化 体外 和 体内15.
为了模拟三维肿瘤生物学特性,Raj Singh 博士开发了一种人类生物基质系统 等16. 天然的无生长因子人源生物胶可形成三维培养支架(如小球、圆盘),支持多种细胞类型的长期培养。已建立一系列用于研究肿瘤生长、黏附、血管生成及侵袭特性的三维人源生物胶培养体系。本文总结了人源生物胶相较于常用的小鼠EHS胶的优势与特性。 表1 和 表2.
| 来源: | 人类羊膜 (组织混合样本) 无病原体,经机构审查委员会豁免或许可 |
| 细胞外基质特性: | 非变性生物凝胶 (GLP生产) |
| 关键步骤 组件: | I 型胶原(38%)、层粘连蛋白(22%)、IV 型胶原(20%)、III 型胶原(7%)、entactin & HSPG(< 3%) |
| 无生长因子: | 未检测到 EGF、FGF、TGF、VEGF、PDGF(非促血管生成、无毒) |
表1:人源性生物凝胶与常见EHS凝胶的特性比较。
| 人类生物凝胶 | EHS 凝胶 |
| 天然人体基质 | 重建小鼠基质 |
| 受控细胞生长 & 分化 | 可促进细胞生长 &分化 |
| 生理学基因表达 | 基因表达的变异性 |
| 三维类组织培养模型 | 基于培养板的培养模型 |
表2:人源生物凝胶与常见EHS凝胶的比较优势。
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注意:所有异种移植治疗评估均采用机构动物护理和使用委员会批准的方案,通过胶质母细胞瘤的原位肿瘤模型进行。
1. 患者来源的胶质母细胞瘤异种移植细胞的分离
2. 替代组织解离方案
3. 微肿瘤生成
4. 微肿瘤的形态学和表型分析
5. 微肿瘤的激酶组学分析
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我们已证明,三维生物凝胶培养系统可支持多种细胞类型的长期生长与功能。在此合作项目中,采用患者来源的胶质母细胞瘤异种移植细胞系(PDX)生成数百个微肿瘤。将细胞解离后(3 × 10⁶)5)或神经球(40–50个)被包埋于生物凝胶微珠(2 mm)中,经快速凝胶化后,在充满NB培养基的定制生物反应器中进行培养。检测细胞活力(Calcein-AM)、生长曲线(MTT)以及基于激酶组活性阵列的分析。PDX微肿瘤保持了多细胞结构和高细胞活力(> 80%) 对于 > 3 周。我们认为这 体内类器官生物学特性的维持依赖于三维细胞-基质结构的完整性(这是二维培养或类球体培养无法实现的)。此外,人们发现,使用脆弱的凝胶状蛋白支架难以生成三维肿瘤,这可能是由于缺乏胶原蛋白I所致。14使用PDX细胞和3D生物凝胶系统进行微肿瘤制备的工作方案总结于 图1 解离过程如图所示 图2.
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实验方案中的关键步骤主要涉及微肿瘤的生成以及药物的给药与维持。由于微肿瘤珠较为脆弱且容易破裂,在实验的建立阶段和维持过程中均需格外小心。如果在任一过程中出现错误,可能会干扰实验结果的解读,导致实验周期延长、不必要的重复,甚至数据被排除。
对微肿瘤形成过程的改进与故障排除,包括设计和制备一种用于制备微肿瘤珠的定制疏水工具。该工具可实现更快且更精确的微肿瘤生产。此外,对微肿瘤培养维护过程进行若干微小改进,有助于加快换液和给药操作。这些改进包括但不限于:使用多通道电子移液器从96孔板中移除和更换培养基,预先混合新鲜的药物溶液,并将2倍浓度的溶液按对应顺序排列在2 ml 96孔板中。
在三维建模中,培养条件的主要优化包括确定药物化合物的合适剂量,因为二维建模与三维建模之间的相关性较差。因此,将二维模型体系转化为三维微肿瘤模型时,通常需要进行系列稀释以建立剂量滴定曲线。
在从小鼠体内收获的异种移植瘤细胞生成微肿瘤时,需考虑的潜在问题包括细菌或真菌污染、原代异种移植瘤细胞获取不一致,...
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R.S. 和 R.S.S. 是 Vivo Biosciences 的员工。J.C.A. 部分经费由 UAB Kinome Core 提供。
由美国国立卫生研究院(NIH)R21基金(项目负责人:C. Willey,编号:CA185712-01)、脑肿瘤SPORE奖(项目负责人:G.Y. Gillespie,编号:P20CA 151129-03)以及SBIR合同(项目负责人:R. Singh,编号:N43CO-2013-00026)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胶原酶-I | Sigma-Aldrich | CO130 | |
| 胰蛋白酶EDTA(10倍浓缩液) | Invitrogen | 15400-054 | |
| Neurobasal-A | Life Technologies | 10888-022 | |
| N-2 补充剂 | Life Technologies | 17502-048 | 1× 终浓度 |
| B-27 补充剂(不含维生素 A) | Life Technologies | 12587-010 | 1x 终浓度 |
| 重组人碱性成纤维细胞生长因子 | Life Technologies | PHG0266 | 最终浓度为 10 ng/ml |
| 重组人表皮生长因子 | Life Technologies | PGH0315 | 最终浓度为 10 ng/ml |
| L-谷氨酰胺 | 康宁 Cellgro Mediatech | 25-005-CI | 终浓度 2 mM |
| 两性霉素B | Omega Scientific | FG-70 | 2.5 µg/ml 终浓度 |
| 青霉素-链霉素 | Omega Scientific | PS-20 | 100 U/ml 青霉素 G,100 µg/ml 链霉素终浓度 |
| 庆大霉素 | Life Technologies | 15750-060 | 终浓度 50 ng/ml |
| MTT | Life Technologies | M6494 | 用 PBS 配制至 5 mg/ml,经无菌过滤,每孔 1 mg/ml |
| SDS | Fisher | BP166 | 用于MTT裂解缓冲液,配制为0.01中的10% M HCl,5% 在孔中 |
| HCl | Fisher | A144SI-212 | 用于MTT裂解缓冲液,配制至0.01 含SDS的M,5 mM,置于孔中 |
| Calcein AM | Life Technologies | C1430 | 1 mM DMSO 储存液,2 µPBS 染色液中的 M,1 µ孔中最小值 |
| 停止’s 蛋白磷酸酶抑制剂混合物 | Pierce ThermoScientific | 78420 | MPER中1:100的比例 |
| Halt蛋白酶抑制剂 | Pierce ThermoScientific | 87786 | MPER中1:100的比例 |
| 哺乳动物蛋白提取试剂(MPER) | Pierce ThermoScientific | PI78501 | |
| 台盼蓝 | Pierce ThermoScientific | 15250-061 | |
| DMSO | Fisher | BP231 | 用于溶解钙黄绿素 AM &和化合物 |
| 不含钙/镁的磷酸盐缓冲液 | Lonza | 17-517Q | 用超纯水(MiliQ)稀释至1倍浓度,并经无菌过滤(用于细胞培养) |
| 含钙/镁的杜尔贝科磷酸盐缓冲液 | 康宁 Cellgro Mediatech | 20-030-CV | 用MiliQ超纯水稀释至1x(用于固定前洗涤) |
| 10% 中性缓冲福尔马林 | 实验方案 | 032-060 | |
| 台盼蓝 | Pierce ThermoScientific | 15250-061 | |
| 高密度 Hubiogel | Vivo Biosciences | HDHG-5 | |
| Halt 蛋白磷酸酶抑制剂 | 皮尔斯 | 78420 | |
| Halt蛋白酶抑制剂 | 皮尔斯 | 87786 | |
| 哺乳动物蛋白提取试剂(MPER) | 赛默飞世尔科技 | 78501 | |
| 蛋白酪氨酸激酶(PTK)阵列分析芯片 | PamGene | 86312 | |
| PTK 激酶缓冲液 | PamGene | 36000 | 300 µl 10x PK缓冲液原液在2.7 毫升去离子水2O,PTK 试剂盒的货号 |
| ATP | PamGene | 36000 | PTK试剂盒货号 |
| PY20-FITC 标记抗体 | PamGene | 36000 | PTK试剂盒货号 |
| PTK添加剂 | PamGene | 32114 | |
| PTK-MM1 管(10× BSA) | PamGene | 36000 | PTK试剂盒货号 |
| 丝氨酸/苏氨酸激酶(STK)阵列分析芯片 | PamGene | 87102 | |
| STK 激酶缓冲液 | PamGene | 32205 | STK试剂盒的货号 |
| STK 一抗混合液(DMAB 管) | PamGene | 32205 | STK试剂盒的货号 |
| FITC标记的二抗 | PamGene | 32203 | |
| STK-MM1 管(100 倍 BSA) | PamGene | 32205 | STK试剂盒的货号 |
| STK 抗体缓冲液 | PamGene | 32205 | STK试剂盒的货号 |
| 仪器设备 | |||
| #11 刀片,无菌 | Fisher | 3120030 | |
| #3 手术刀柄,无菌 | Fisher | 08-913-5 | |
| 100 毫米玻璃培养皿 | Fisher | 08-748D | |
| 半弯止血钳 | Fisher | 12-460-318 | |
| 胰蛋白酶处理培养瓶 | Fisher | 10-042-12B | |
| 磁力搅拌器 | Fisher | 14-490-200 | |
| 3/4" 搅拌子 | Fisher | 14-512-125 | |
| B-D 细胞筛 | Fisher | #352340 | |
| B-D 50 ml 离心管 | Fisher | #352098 | |
| PamStation 12 | PamGene | ||
| BioNavigator 6.0 动力学组分析软件 | PamGene | ||
| Evolve 激酶活性分析软件 | PamGene | ||
| UpKin App 软件(上游激酶预测) | PamGene | ||
| gentleMACS 组织解离仪 | Miltenyi Biotec | 130-093-235 | |
| 旋转式细胞培养系统(RCCS) | Synthecon | RCCS-D | 使用10 ml一次性HARV |
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