本文旨在详细描述肺转移检测(PuMA)实验方案。该模型允许研究人员利用宽场荧光显微镜或共聚焦激光扫描显微镜,在肺组织中研究转移性骨肉瘤(OS)细胞的生长情况。
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本文旨在详细描述肺转移检测(PuMA)实验方案。该模型允许研究人员利用宽场荧光显微镜或共聚焦激光扫描显微镜,在肺组织中研究转移性骨肉瘤(OS)细胞的生长情况。
肺转移检测(PuMA)是一种ex vivo肺组织外植体与封闭细胞培养系统,可使研究人员通过荧光显微镜研究骨肉瘤(OS)肺定植的生物学特性。本文详细描述了该实验方案,并讨论了使用宽场或共聚焦荧光显微镜平台获取转移性生长图像数据的示例。PuMA模型具有高度灵活性,研究人员不仅可借此研究OS细胞在肺微环境中的生长情况,还可随时间评估抗转移治疗药物的作用效果。共聚焦显微镜能够以前所未有的高分辨率对OS细胞与肺实质的相互作用进行成像。此外,当PuMA模型与荧光染料或荧光蛋白遗传报告系统结合使用时,研究人员可进一步研究肺微环境、细胞及亚细胞结构、基因功能以及转移性OS细胞中的启动子活性。PuMA模型为骨肉瘤研究人员提供了一种新工具,可用于发现新的转移生物学机制,并评估新型抗转移靶向治疗药物的活性。
儿童转移性骨肉瘤(OS)患者的预后改善仍然是一个亟待解决的重要临床需求 1这凸显了开发新型分子靶向治疗策略的重要性。传统的化疗药物以肿瘤细胞增殖为靶点,在治疗转移性疾病方面并未显示出显著疗效,因此新的治疗策略必须直接针对转移过程本身。 2本文讨论了一种相对较新型的 离体 肺转移模型,由Mendoza及其同事开发的肺转移检测法(PuMA)3,这为发现骨肉瘤肺转移进展中的新分子驱动因素提供了有力工具 4,5在继续之前,有必要简要探讨几种当前的转移模型,以及PuMA模型相较于传统模型所具备的若干优势。 体外 检测方法
大多数用于研究转移的实验模型包括 体外 和 体内 能够模拟转移级联过程中某一特定步骤或多个步骤的系统。这些步骤包括:1)肿瘤细胞从原发性肿瘤迁移,2)侵入邻近血管(血液或淋巴管)并在循环系统中运行,3)在继发部位滞留,4)在继发部位穿出血管并存活,5)形成微转移灶,以及6)生长为具有血管化的转移灶。图1). 体外 转移模型可包括二维(2D)迁移和三维(3D)Matrigel侵袭实验,这些方法在其他文献中已有详细综述 6。对于 体内 模型,两种常用的模型系统包括:1) 自发性转移模型 是将肿瘤细胞原位注射到特定类型的组织中,以形成局部肿瘤,该肿瘤会自发地向远端部位释放转移细胞;2) 实验性转移模型 是将肿瘤细胞注射到目标器官上游血管的部位。例如,通过尾静脉注射肿瘤细胞可导致肺转移灶的形成5,7,8其他实验性转移模型包括将肿瘤细胞注射到脾脏或肠系膜静脉,从而形成肝转移。9,10这些的实际考虑因素 体内 Welch 详细讨论了这些模型 11另一个 体内 用于研究儿童肉瘤转移的模型是肾包膜下肿瘤植入模型,该模型可导致局部肿瘤形成并自发转移至肺部 12,13一种技术要求更高的方法,如活体视频显微镜技术,可实时直接观察转移性癌细胞与转移部位(例如肺或肝)微血管系统之间的相互作用,如MacDonald所述。14 和 Entenberg15,或如 Kim 所述的绒毛尿囊膜中癌细胞的外渗 16.
PuMA 模型是一种 离体 肺组织外植体,封闭式培养系统,可通过荧光显微镜在长达一个月的时间内对荧光标记的肿瘤细胞生长进行纵向观察(参见 图2A)。该模型可重现转移级联过程中肺部定植的初始阶段(步骤3至5)。与传统模型相比,PuMA模型具有若干主要优势 体外 模型的优势在于:1)可在保留肺部微环境多种特征的三维微环境中,对转移性癌细胞的生长进行纵向测量 体内 3;2)PuMA 可使研究人员评估候选基因的敲低或药物处理在三维肺微环境背景下是否具有抗转移活性;3)PuMA 模型可兼容多种类型的荧光显微镜平台图2B)例如宽场荧光显微镜或激光扫描共聚焦显微镜,每种示例均展示于 图2C & D分别。本文将讨论如何利用PuMA模型,通过低倍率宽场荧光成像获取表达增强型绿色荧光蛋白(eGFP)的人高转移性和低转移性骨肉瘤细胞(分别为MNNG和HOS细胞)在转移性生长过程中的纵向影像数据。此外,还讨论了在PuMA模型中使用共聚焦激光扫描显微镜成像肺实质荧光染料以及标记骨肉瘤细胞线粒体的红色荧光蛋白遗传报告系统的示例。
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所有获取成像数据的动物实验方案均获得美国国家卫生研究院国家癌症研究所动物护理与使用委员会的批准。本文视频中讨论和展示的所有动物实验方案均已获得不列颠哥伦比亚大学动物护理委员会的批准。
1. 准备注射用肿瘤细胞及PuMA模型所需材料
注意:溶液和细胞的用量足够用于1只小鼠。若研究中使用的小鼠数量增加,请相应地按比例放大。有关培养基配方,请参见表1和表2。
2. 尾静脉注射与肺部充气
注意:本节中溶液和细胞的用量足够用于1只小鼠。如果研究中使用的小鼠数量更多,请相应扩大用量。有关以下步骤所用设备、材料和手术器械的列表,请参见表3和表4。
3. 肺组织切片的宽场荧光成像与分析
注意:对于宽场荧光成像,需将组织切片切割得更小(3 mm × 1.5 mm × 1 mm),以便使用 2.5X 物镜在单幅图像中容纳整个肺组织切片。
在宽场荧光显微镜上进行图像采集:
图像分析:
注意:以下图像处理步骤使用 ImageJ 1.51h 软件包完成17。
4. PuMA 模型的共聚焦荧光成像
注意:对于共聚焦成像,组织处理步骤与前一节相似,但需切割较厚的肺组织切片(完整的横断面,厚度为 1-2 mm),以允许成像更多的感兴趣区域(ROI)。
使用 DAR4M 标记肺实质:
对于图5所示的共聚焦显微示例图像,成像过程为终点性操作。若需进行纵向成像,建议使用配备双光子或多光子的共聚焦激光扫描显微镜(LSM),因为此类技术对活体组织的光损伤更小19,20。
在PuMA模型中对表达mito-RFP的MG63细胞进行成像:
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低倍率宽场荧光显微镜
在PuMA肺切片的宽场荧光显微镜观察中,代表性图像和定量数据如图2C以及图4A和B所示。高转移性和低转移性细胞系的转移倾向在连续时间点上可直观区分。MNNG细胞能够高效定植于肺组织,而HOS细胞则完全无法生长。通过图像分析可获得定量数据,用于评估随时间推移的生长情况,如图4B中的图表所示。建议采用低倍率(2.5X)成像,以便在单幅图像中完整捕获整个肺切片。该方法可实现大量PuMA切片的批量成像。
高倍率共聚焦荧光显微镜
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以下技术文章介绍了PuMA模型在研究骨肉瘤肺转移中的某些实际应用方面。在实验方案中,研究人员需格外注意的一些关键步骤包括:
a) 气管插管。在分离气管周围肌肉和结缔组织时,气管容易受损。此外,导管的针头也容易穿透气管。插入插管时,需密切注意针头斜面进入气管的方式。
b) 穿刺或损伤肺表面。在去除胸骨并暴露胸腔时,使用解剖剪刀容易穿刺或损伤肺组织。从胸腔中分离整块肺组织(pluck)时需格外小心。若穿刺或损伤肺表面,会导致液态琼脂糖/A型培养基泄漏,从而使肺组织塌陷。
c) 成像过程中去除肺组织切片上多余的培养基。 在显微镜下观察时,肺组织切片周围多余的液体培养基可能产生"镜面"效应。这些多余的液体会反射肿瘤细胞的荧光信号,从而夸大图像中的荧光区域。去除多余的培养基液体可避免图像中出现此类伪影。或者,也可在图像后期处理过程中消除此类图像伪影。
d) 活体组织的光损伤。使用汞灯或单光子显...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Arnulfo Mendoza博士提供了PuMA技术的培训。此外,我们感谢Chand Khanna博士、Susan Garfield博士(NCI/NIH)以及Sam Aparicio博士(BC癌症防治局)在本研究过程中提供其显微镜设备的使用。本研究得到了美国国立卫生研究院癌症研究中心儿科肿瘤分部内部研究计划(部分支持)。M.M.L.曾获得美国国立卫生研究院内部访问学者计划(资助编号15335)的支持,目前获得转移研究Joan Parker奖学金的支持。P.H.S.由不列颠哥伦比亚癌症基金会提供支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>表2 | |||
| <强>用于A培养基、B培养基及完全培养基的细胞培养试剂 | |||
| MNNG-HOS | ATCC | CRL-1547 | 高转移性骨肉瘤细胞系 |
| HOS | ATCC | CRL-1543 | 转移能力差的骨肉瘤细胞系 |
| MG63.3 | Amy LeBlanc 实验室(NCI) | N/A | 高转移性骨肉瘤细胞系 |
| MG63 | ATCC | CRL-1427 | 转移能力差的骨肉瘤细胞系 |
| 10X M199 培养基 | 赛默飞世尔科技 | 11825015 | A培养基和B培养基的基础培养基 |
| 蒸馏水(灭菌) | 赛默飞世尔科技 | 15230-147 | A培养基组分 & B-媒体 |
| 7.5% 碳酸氢钠溶液 | 赛默飞世尔科技 | 25080094 | A培养基组分 & B-媒体 |
| 氢化可的松 | Sigma-Aldrich | H6909 | A培养基组分 & B-媒体 |
| 视黄醇醋酸酯-水溶性 | Sigma-Aldrich | R0635-5MG | A培养基组分 & B-媒体 |
| 青霉素/链霉素 10 倍浓缩液(10000 U/ml) | 赛默飞世尔科技 | 15140122 | A培养基组分 & B-培养基,完全培养基。 |
| 牛胰岛素溶液(10 mg/ml) | Sigma-Aldrich | I0516-5ML | A培养基组分 & B-媒体 |
| DMEM,高糖 | 赛默飞世尔科技 | 11965092 | 完全培养基的基础培养基 |
| L-谷氨酰胺(200 mM) | 赛默飞世尔科技 | 25030081 | 完全培养基的组分 |
| 胎牛血清 | Thermofisher | 16000044 | 完全培养基的组分 |
| 杜尔贝科’磷酸盐缓冲液 | 赛默飞世尔科技 | 14190144 | 用于细胞培养。 |
| 汉克’不含钙、不含镁、不含酚红的缓冲盐溶液 | 赛默飞世尔科技 | 14175095 | 用于注射前重悬细胞沉淀 |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.25%),酚红 | 赛默飞世尔科技 | 25200114 | 用于细胞培养。 |
| DAR4M | Enzo | ALX-620-069-M001 | 用于标记肺实质。 |
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| <强>表3 | |||
| <强>PuMA 材料 | |||
| 蔡司 710 共聚焦激光扫描显微镜 | Zeiss | N/A | 直立式激光扫描共聚焦显微镜 |
| 蔡司 780 共聚焦激光扫描显微镜 | 蔡司 | N/A | 倒置激光扫描共聚焦显微镜 |
| SCID 小鼠 | Charles River | N/A | NOD.CB17-Prkdcscid/NcrCrl,雌性,6-8 周龄 |
| GelFoam | 哈佛仪器公司 | 59-9863 | 用作肺组织切片的支撑材料。 |
| SeaPlaque 琼脂糖 | Lonza | 50100 | 肺部充气时使用。 |
| 1 ml 注射器配27号针头 | Fisher Scientific | 14-826-87 | 用于尾静脉注射。 |
| 10 ml 注射器 | BD | 309604 | 用于肺部充气。 |
| 20 号导管 | Terumo | SR-OX2032CA | 用于肺部充气过程中。 |
| Abbott IV 延长管(30",无菌 | Medisca | 8342 | 肺部充气时使用。 |
| 酒精棉片 | BD | 326895 | 注射前擦拭尾静脉 |
| 无菌外科手套 | Fisher Scientific | 随尺寸而异 | 小鼠肺组织的无菌操作 |
| 30 cm 尺子 | 订书钉 | 用于肺部充气。 | |
| 用于尺子的支撑架 | Pipette.com | HS29022A | 用于肺部充气。 |
| 35 mm 玻璃底培养皿 | Ibidi | 81158 | 用于肺组织切片成像过程中 |
| 带防水防潮层的吸水垫 | VWR | 56617-014 | 用于在生物安全柜内铺设无菌工作区域。 |
| 普通肠线可吸收缝合线 | 布劳恩 | N/A | 用于结扎套管化的气管。 |
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| <强>表4 | |||
| <强>PuMA 手术器械 | |||
| 微型解剖剪 3.5" 直尖/尖头 | Roboz | RS-5910 | 用于切割肺组织切片 |
| 4” 长10厘米,直型带齿超精细,0.5毫米尖端 | Roboz | RS-5132 | 用于操作/夹持肺组织切片。 |
| 4” 10 cm 长锯齿状微弯,0.8 mm 尖端 | Roboz | RS5135 | 用于操作/夹持肺组织切片。 |
| 齿状精细拇指敷料钳;4.5" 长度;1.3 mm 尖端宽度 | Roboz | RS-8120 | 用于常规解剖。 |
| 拇指敷料镊 4.5" 锯齿状,2.2 mm 尖端宽度 | Roboz | RS-8100 | 用于常规解剖。 |
| 超精细显微解剖剪 3.5" 直尖/尖头,20 mm 刀片 | Roboz | RS-5880 | 用于常规解剖。 |
| 克氏剪刀;直型;尖-钝头;27毫米刃长;4" 总长度 | Roboz | RS-5960 | 用于常规解剖。 |
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