我们采用了一种可渗透的微孔膜插入装置来模拟肿瘤微环境(TME)。该模型包含混合细胞培养体系,可在无需荧光标记或细胞分选的情况下,简便地获得高度富集的单一细胞群体,并允许在正常或应激条件下研究肿瘤微环境中细胞间的相互通讯。
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我们采用了一种可渗透的微孔膜插入装置来模拟肿瘤微环境(TME)。该模型包含混合细胞培养体系,可在无需荧光标记或细胞分选的情况下,简便地获得高度富集的单一细胞群体,并允许在正常或应激条件下研究肿瘤微环境中细胞间的相互通讯。
理解癌细胞与周围非癌性间质之间的早期异型相互作用,对于阐明导致间质激活及肿瘤微环境(TME)形成的事件至关重要。多个 体外 和 体内 肿瘤微环境(TME)模型已被开发出来;然而,总体而言,这些模型通常难以在不干扰细胞状态的条件下,有效分离出单一的细胞群体以供进一步研究。为克服这一难题,我们采用了 体外 使用由可渗透微孔膜插入物组成的细胞生长基质构建肿瘤微环境(TME)模型,该模型可在插入物膜的两侧分别共培养细胞,实现紧密但分离的长期共培养,并可简便地获得高度富集的细胞群体。通过该模型,我们能够在与高转移性人乳腺癌细胞共培养(120小时)后,从正常的二倍体人成纤维细胞中获得显著富集的癌症相关成纤维细胞(CAF)群体,且无需使用荧光标记和/或细胞分选技术。此外,通过调节插入物的孔径大小,可控制细胞间通讯的方式。例如,缝隙连接通讯,分泌因子)之间的两种异质细胞群,从而允许研究肿瘤微环境(TME)发育背后的机制,包括缝隙连接通透性的作用。该模型是深入理解癌症-间质启动的初始事件、TME的早期演化过程以及间质对癌细胞治疗反应调节作用的有力工具。
肿瘤微环境(TME)是一个高度复杂的系统,由癌细胞与宿主间质共同存在并协同演化而成。该间质成分通常包括成纤维细胞、肌成纤维细胞、内皮细胞、多种免疫组分以及细胞外基质1。其中一个重要组分,往往是间质的主体部分,是被激活的成纤维细胞,通常被称为癌症相关成纤维细胞或癌相关成纤维细胞(CAF)2,3。与正常的非激活状态成纤维细胞不同,CAF在多种癌症中促进肿瘤的起始、进展、血管生成、侵袭、转移和复发4-11,这些癌症包括乳腺癌、前列腺癌、肺癌、胰腺癌、皮肤癌、结肠癌、食管癌和卵巢癌5,6,12-17。然而,CAF在整个癌症发病过程中所起作用的具体性质仍不明确。此外,临床证据表明CAF具有预后价值,其存在与高级别恶性肿瘤、治疗失败以及总体不良预后相关10,18,19。
显然,加深对癌相关成纤维细胞(CAF)发育起始事件及其在肿瘤微环境(TME)中介导作用的细胞间通讯机制的理解,可能为改善患者预后提供令人期待的新型治疗靶点和优化策略。为实现这一目标,已有若干 体内 和 体外 已开发出多种模型。尽管 体内 尽管这些方法更能反映患者体内的肿瘤微环境(TME),但仍存在局限性,包括肿瘤内部及肿瘤之间的巨大复杂性和异质性。此外,来自人类受试者的肿瘤样本通常代表的是高度发育成熟的TME,因而无法揭示TME初始事件的发生机制。实验动物研究虽具有一些优势,但由于人类与动物(如啮齿类)在生理学上存在差异,将动物研究数据外推至人类时应谨慎对待。例如, 巯基化学20代谢率21,对胁迫的耐受性22, 等等。此外,与具有天然遗传异质性的人群不同,实验动物通常经过培育以达到遗传同质性。同时,使用大鼠等动物模型往往难以检测短暂的生理波动和细胞表型变化,也难以对特定的实验参数进行精确控制。因此, 体外 二维和三维(2D和3D)组织培养模型常被用于深入理解肿瘤微环境(TME)的发育基础。尽管这些模型无法准确再现TME复杂性的全貌, 体内 这些模型具有显著优势,可极大地促进机制研究。 体外 模型能够对肿瘤微环境(TME)进行更简化、更集中且更具成本效益的分析,从而在排除动物体内系统性变异干扰的细胞中生成具有统计学意义的数据。
有多种类型 体外 系统。最常用的两种TME 体外 模型包括混合单层细胞培养或球状细胞培养。这两种培养方法均有利于细胞间相互作用的基础研究。例如, 正常细胞与肿瘤细胞)以及对肿瘤微环境(TME)中特定细胞表型变化的分析(例如,癌相关成纤维细胞由正常成纤维细胞转化而来)。此外,类球体能够形成更接近真实组织结构的肿瘤微环境,并可体现肿瘤异质性23然而,球状体通常会在不同层间产生差异较大的氧张力梯度,这可能会使实验结论的解读变得复杂。24不幸的是,这两种模型在共培养后分离出用于进一步表征和研究的纯细胞群体方面均存在极大局限性。要实现这一目标,至少需要对一种细胞类型进行荧光标记或使用特异性标识物进行标记,然后对混合的共培养物进行大量处理并通过细胞分选来分离不同细胞群体。尽管细胞分选仪能够分离出较为纯净的细胞群体,但操作过程中必须注意细胞应激以及潜在的微生物污染风险25.
为了促进对细胞间通讯的理解,研究人员已投入大量努力用于开发和优化 体外 紧密模拟的系统 体内 环境,同时简化操作流程。其中一种工具是可渗透微孔插件,这是一种膜基质,最早于1953年开发。26 并随后被改进用于多种应用和研究(例如细胞极性27内吞作用28药物转运29组织建模30,受精31,旁观者效应32,33, 等等。)。该系统允许细胞在特定条件下生长 体内-样的解剖和功能分化,以及多种基因的表达 体内 标记物34,35 在不可渗透的塑料器皿上培养时则观察不到这些现象。此外,这种极薄的多孔膜(10 µm 厚)可实现分子的快速扩散和快速平衡,从而模拟了 体内 环境,并允许细胞在顶端和基底外侧区域均能独立发挥功能。该插入装置作为肿瘤微环境系统的一项额外优势在于,它能够在相同环境条件下,通过膜上的孔隙在物理上分隔生长于膜两侧的两种异质细胞群体,同时维持细胞间通过膜孔隙进行的多种交流模式。尽管这两种细胞群体在物理上相互分离,但它们通过分泌物质实现代谢偶联,正如本文所述,还可通过间隙连接通道进行通讯。此外,通过将插入装置维持在 体内 氧分压(PO2),该模型减少了其他系统中常见的氧气和化学梯度带来的复杂性,从而更有利于理解调控肿瘤微环境(TME)的自然机制。值得注意的是,在长期共培养后,无需荧光标记和/或细胞分选,即可轻松分离出两种细胞群体,并保持高纯度。
在此我们描述一种 体外 TME方案,包含人乳腺癌细胞和人成纤维细胞,分别培养于可渗透微孔膜插入物的两侧,通过膜孔实现持续的双向通讯。我们展示,通过使用不同孔径的膜,可区分特定类型细胞间通讯的贡献例如,可研究分泌因子与间隙连接等对肿瘤微环境(TME)形成的影响。
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1. 培养基和细胞的准备
2. 插入片段的制备
注意:为确保无菌条件,应在专用于细胞培养的层流生物安全柜中操作。
3. 通过胰蛋白酶消化法从插入物中收集细胞
注意:除了能够轻松获得富集的细胞群体外,插入式肿瘤微环境模型还允许进行类似的实验处理(例如,化学物质孵育,暴露于高于或低于环境大气的氧气条件,电离辐射处理, 等等。)以及其他 体外 TME 共培养模型。此外,可使用已为标准二维组织培养模型开发的实验流程来分析可渗透插入式共培养基质。例如,可从插入膜的任一侧收集细胞,以获得高度富集的细胞群体,随后可用于终点指标的分析例如,原位 免疫检测、蛋白质印迹(Western blotting)或用于后续实验的扩增36.
4. 通过流式细胞术表征细胞纯度
注意:为了表征可渗透微孔膜插件维持两种细胞群体纯度的能力(即, 顶部和底部)最多120小时,进行了第1-3步操作,将表达绿色荧光蛋白(GFP)标记的MDA-MB-231细胞接种于插入物的顶部,将未标记GFP的AG1522细胞接种于孔径为0.4 µm、1 µm或3 µm的插入物底部。
5. 通过以下方法对细胞进行表征 原位 免疫荧光
6. 通过蛋白质印迹法对细胞进行表征
注意:Western印迹实验步骤在其他地方已有描述38。此处仅作简要概述:
7. 通过流式细胞术表征细胞间通讯
注意:为了表征可渗透微孔膜插件在研究不同细胞间通讯模式(例如,分泌因子、间隙连接)中的适用性,第1-2.12节实验使用非荧光标记的AG1522细胞,将其接种于孔径为0.4 µm、1 µm或3 µm的插件的底侧。
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在此,我们采用了一种可渗透的微孔膜插入装置来开发一种 体外 模拟异型细胞共培养系统 体内 肿瘤微环境(图1)。该系统允许在小室的多孔膜两侧长期共培养两种不同的细胞群体(在我们的应用中可长达120小时)。重要的是,该系统能够维持细胞群体的纯度,这一点通过将表达GFP标记的MDA-MB-231细胞接种于0.4、1或3 μm孔径小室的上侧,并使其与接种于小室下侧的AG1522细胞共培养120小时来验证。培养结束后,收集小室下侧的细胞,通过流式细胞术分析是否存在GFP阳性的MDA-MB-231细胞,以判断细胞群体纯度是否丧失。分析结果显示,使用0.4和 1 µm-孔插件,分别;然而,带有插件的 3 µm 孔径无法维持细胞群体的分离,因为孔径过大,足以使大量表达GFP的MDA-MB-231细胞迁移穿过膜图2).
重要的是,通过 原位 通过免疫...
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本方案描述了一种简单且可灵活调整的方法 体外 实验步骤图1利用可渗透的微孔膜插入物,从异型细胞共培养体系中分离出高度富集的单一群体细胞。该模型的重要优势在于适用于研究多种细胞间通讯模式。关键技术步骤包括:根据特定实验需求选择合适孔径的插入物,将第一群细胞接种于插入物底部,培养基中添加50% FBS,随后将第二群细胞接种于插入物顶部,并将两个不同细胞群体共培养适当时间。我们证明该系统能够模拟多种 体内 特征,从而为理解早期肿瘤微环境(TME)演化过程中发生的分子、表型及潜在变化提供了更充分的机会,弥补了现有许多TME模型的主要缺陷 体外 模型(图2).
该模型可轻松修改,以允许研究癌症-基质发育及肿瘤微环境演化过程中细胞间相互作用的各个方面(图4)。尽管0.4 µm孔径的插入式培养小室允许两种细胞群体之间进行紧密的相互作用45,它显著限制了生长在插入膜两侧的细胞之间功能性间隙连接的形成(图4<...
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作者声明不存在任何竞争性或冲突性利益。
本研究获得了新泽西癌症研究委员会(博士前奖学金 DFHS13PPCO17)、美国国立卫生研究院(CA049062)和美国国家航空航天局(NNX15AD62G)资助项目的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>细胞培养用 | |||
| AG01522 (即,AG1522)人二倍体成纤维细胞 | 科里尔 | 107661 | 第8-13段 |
| MDA-MB-231-luc-D3H1 乳腺腺癌细胞系 | PerkinElmer | 119261 | 亲本细胞系:ATCC(#HTB-26) |
| MDA-MB-231/GFP 乳腺腺癌细胞系 | Cell Biolabs | AKR-201 | |
| Eagle最小必需培养基(MEM) | Corning Cellgro | 15-010-CV | |
| 胎牛血清(FBS),经认证合格 | Sigma | F6178-500mL | |
| Corning GlutaGro 补充剂(200 mM L-丙氨酰-L-谷氨酰胺) | Corning Cellgro | 25-015-Cl | |
| 青霉素-链霉素溶液,100倍浓缩液 | Corning Cellgro | 30-002-Cl | |
| Transwell 小室(插入式)即,可渗透的微孔膜插入物)(0.4 μ微孔 | Costar | 3450 | |
| Transwell 小室即,可渗透的微孔膜插件)(1 μ微孔 | Greiner bio-one | 657610 | |
| Transwell 小室即,可渗透的微孔膜插入物)(3 μ微孔 | Costar | 3452 | |
| 6孔培养板 | Greiner Bio-One Cellstar | 657160-01 | |
| 75 cm2 细胞培养瓶 | CellStar | 658 170 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS),1x | Corning Cellgro | 21-040-CV | 不含钙 &和镁 |
| 0.25%(体积/体积)胰蛋白酶,2.21 mM EDTA,1× | Corning Cellgro | 25-053-Cl | |
| 15 ml 离心管 | CellTreat | 229411 | |
| 35 mm × 10 mm 细胞培养皿 | Greiner bio-one | 627 160 | |
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| <强>用于免疫荧光显微镜检查 | |||
| 小鼠抗Caveolin 1 | BD 转导实验室 | 610406 | 原位 免疫荧光 - 1:5,000 |
| 山羊抗小鼠IgG(H+L)二抗,Alexa Fluor 488标记 | 赛默飞世尔科技 | A-11029 | 原位 免疫荧光 - 1:2,000 |
| 牛血清白蛋白 - 第五组分 | Rockland | BSA-50 | 免疫球蛋白和蛋白酶无污染 |
| 16% (wt/vol) 甲醛溶液 | 赛默飞世尔科技 | 28908 | 用1×PBS稀释至4% |
| 优质盖玻片(22 mm × 22 mm,No.1) | Fisher | 12548B | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787-50ML | |
| 含DAPI的SlowFade Gold抗荧光淬灭试剂 | Invitrogen | S36938 | |
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| <强>用于流式细胞术分析 | |||
| Calcein, AM | 分子探针 | C3100MP | |
| Hanks' 平衡盐溶液 (HBSS) | Gibco | 14025-076 | |
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| <强>用于蛋白质印迹分析 | |||
| 小鼠抗Caveolin 1 | BD 转导实验室 | 610406 | Western Blot - 1:1,000 |
| Tween-20 | BioRad | 170-6531 | |
| 硝酸纤维素膜(0.2 μm) | BioRad | 162-0112 | |
| Western Lightning Plus-ECL | PerkinElmer | NEL104001EA | |
| BioRad DC 蛋白检测试剂盒 | 伯乐(BioRad) | 500-0116 | |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | BioRad | 161-0302 | |
| 脱氧胆酸钠一水合物(DOC) | Sigma | D5670 | |
| IGEPAL CA-630(NP40) | Sigma | I8896 | |
| 30% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺溶液,37.5:1 | 伯乐(BioRad) | 161-0158 |
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