我们描述了一种通过预先对气道造成损伤以显著增强肺癌细胞在小鼠肺部原位移植效率的方法。该方法还可用于研究肺部微环境中的基质相互作用、肿瘤转移扩散、肺癌共病情况,以及更高效地建立患者来源的异种移植模型。
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我们描述了一种通过预先对气道造成损伤以显著增强肺癌细胞在小鼠肺部原位移植效率的方法。该方法还可用于研究肺部微环境中的基质相互作用、肿瘤转移扩散、肺癌共病情况,以及更高效地建立患者来源的异种移植模型。
肺癌是一种致命且难以治疗的疾病,具有高度的生物学异质性。为了理解并有效治疗各种胸腔恶性肿瘤,需要建立更多能够模拟不同类型和阶段人类肺癌的动物模型。同系移植或异种移植模型具有较高的灵活性,可利用小鼠或人类来源的恶性细胞,在体内定量评估其致瘤能力in vivo。然而,以往报道的肺癌细胞移植方法通常在非生理部位(如小鼠的 flank 部位)进行,这是由于将细胞原位移植至肺部的效率较低所致。在本研究中,我们描述了一种通过使用诱导纤维化的试剂博来霉素(bleomycin)预先处理小鼠气道,以增强肺癌细胞原位移植效率的方法。作为概念验证实验,我们将该方法应用于将来源于小鼠或人类的肺腺癌亚型肿瘤细胞,移植至多种品系的小鼠体内。我们证明,在注射肿瘤细胞前使用博来霉素损伤气道,可使肿瘤细胞的移植成功率从 0–17% 提高至 71–100%。重要的是,该方法在不同模型和小鼠品系中均显著提高了肺部肿瘤的发生率及其后续生长。此外,移植的肺癌细胞可从肺部扩散至相关远端器官。因此,我们提供了一种实验方案,可用于在细胞数量或生物样本极其有限的情况下,建立和维持新型的肺癌原位模型,并在生理相关条件下对肺癌细胞的致瘤能力进行定量评估。
肺癌是全球癌症相关死亡的首要原因1。肺癌患者最终通常因肿瘤转移至远处器官而死亡,尤其是中枢神经系统、肝脏、肾上腺和骨骼2,3,4。胸部恶性肿瘤传统上被分为小细胞肺癌(SCLC)和非小细胞肺癌(NSCLC)5。NSCLC 是最常见的恶性肿瘤类型,可进一步分为不同的组织学亚型,包括肺腺癌(LUAD)和肺鳞状细胞癌(LUSC)6。对切除的人类原发性肺癌进行基因组分析发现,同一组织学类型的肿瘤也可能表现出多种不同的分子异常,这进一步导致其临床进展的差异性,并使患者的预后评估变得复杂。肺癌显著的异质性给合理设计、临床前测试以及有效治疗策略的实施带来了重大挑战。因此,有必要拓展可操作的实验性肺癌模型体系,以研究该疾病多样化的细胞起源、分子亚型及不同发展阶段。
已采用多种动物模型研究肺癌 体内,每种方法都有其独特的优缺点,具体选择取决于所研究的生物学问题。基因工程小鼠模型(GEMMs)可针对特定的前体细胞类型引入精确的遗传改变,从而在免疫功能健全的宿主体内诱导肿瘤发生与发展7尽管GEMM具有极强的功能和重要的临床相关性,但其潜伏期、变异性以及与肺部肿瘤相关的发病率可能会限制对某些定量指标的测量,并阻碍对远端器官中晚期转移的检测8另一种补充性方法是使用同种异体移植模型,即将直接来源于小鼠肿瘤或先在体外培养中建立的稳定细胞系的肺癌细胞重新引入同源宿主。类似地,肺癌异种移植模型则来源于人源细胞系或患者来源的肿瘤组织。人源细胞系异种移植模型或患者来源异种移植模型(PDXs)通常在免疫缺陷小鼠中维持传代,因此无法实现完整的免疫监视。9尽管存在这一缺点,它们仍为扩增有限的人体生物样本并研究基本的 体内 人类癌细胞的特性,其基因组异常比GEMM肿瘤更为复杂。
同种异体移植物和异种移植物的一个有用特性是,它们适用于传统的有限稀释细胞实验,该实验可用于量化恶性细胞群体中肿瘤起始细胞(TICs)的频率10。在这些实验中,将确定数量的细胞皮下注射到动物的侧 flank 部位,然后根据成瘤率来估算 TICs 的频率。然而,皮下肿瘤可能缺氧程度更高11,且可能无法模拟肺部肿瘤微环境中的关键生理限制。将上皮干细胞或前体细胞经气管递送至小鼠肺部,是一种研究肺再生和气道干细胞生物学的方法12。然而,该技术的移植率通常相对较低,除非肺部事先经历某种生理性的损伤,例如病毒感染13,14。炎性间质细胞的支持作用和/或肺基底膜的破坏,可能有助于提高移植细胞在远端气道相关干细胞生态位中的滞留能力15。纤维化诱导剂也可预先处理肺组织,以增强诱导性多能干细胞16和间充质干细胞17的移植效率。目前尚未系统评估类似的气道损伤是否会影响肺癌细胞的移植率、肿瘤起始能力及其后续生长。
本研究中,我们描述了一种通过预先对小鼠肺部造成损伤以提高原位肺癌细胞移植效率的方法。肺腺癌(LUAD)起源于远端气道,其中相当一部分肿瘤会形成纤维化间质18,这通常与预后不良相关19。博来霉素(Bleomycin)是一种天然的非核糖体杂合肽-聚酮化合物,已被广泛用于在小鼠中诱导肺纤维化20。气道内给予博来霉素首先会促进肺泡上皮的剥脱以及巨噬细胞、中性粒细胞和单核细胞等炎性细胞的募集21。随后发生远端气道的组织重塑、基底膜重排22,23以及细胞外基质(ECM)沉积24。单次注射博来霉素的作用是暂时的,在大多数研究中,纤维化会在30天后逐渐消退25。我们利用同种移植和异种移植模型,检测了预先用博来霉素处理小鼠气道是否能显著提高LUAD细胞在肺部的成瘤率。
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所有实验均依照耶鲁大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准的方案进行。
1. 试剂的准备与配制。
2. 博来霉素处理
3. 气管插管后小鼠的监测
4. 肺腺癌细胞系的移植。
注意:在注射博来霉素后14天进行细胞移植(步骤2.1)。
5. 利用生物发光成像监测肿瘤生长
6. 组织分离与处理。
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为了提高肺腺癌细胞在小鼠肺部的移植效率,我们建立了一种先使用博来霉素预处理气道,再进行原位肿瘤细胞注射的实验方案(图1)。我们证实,即使在免疫缺陷的无胸腺小鼠中,博来霉素在给药后第14天仍可诱导短暂性纤维化,表现为气道结构破坏和胶原沉积增加(图2)。在博来霉素注射后50天,这些小鼠的宏观纤维化已消退(图2;右侧面板),与先前的研究结果一致24。
基于这些观察结果,我们将不同来源的肺腺癌(LUAD)细胞移植到经预处理的小鼠品系肺部,这些小鼠在14天前预先接受了一次性剂量的载体或博来霉素处理。例如,将来自已建立的人肺腺癌细胞系H2030的细胞悬液经气管内注入无胸腺小鼠的肺部。35天后,经博来霉素预处理的小鼠表现出较高的肺部肿瘤负荷,...
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肺癌与其他慢性肺部疾病之间已观察到显著的临床相似性36。特别是,特发性肺纤维化(IPF)患者更易发生肺癌,且这种关联性与吸烟史无关37,38。IPF 的特征是通过细胞外基质(ECM)沉积导致肺组织结构进行性破坏和呼吸功能受损39。此外,伴有 IPF 的早期非小细胞肺癌(NSCLC)患者在接受手术切除后预后较差40。大多数 NSCLC 肿瘤在诊断时即含有纤维化成分,且这种间质反应的程度与不良预后相关18。纤维化引起的急性或持续性组织损伤可能通过多种机制增加肿瘤发生的风险。例如,损伤后上皮再生过程可能扩大易发生恶性转化的前体细胞池。此外,多种免疫细胞的浸润及其功能改变可能有助于形成免疫抑制的微环境,而肌成纤维细胞的活化可能分泌生长因子或沉积促进肿瘤的细胞外基质。因此,我们采用致纤维化试剂预先处理肺组织的方法,可能特别适用于研究肺癌共病(...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
本研究由美国国家癌症研究所(资助号:R01CA166376 和 R01CA191489,授予 D.X. Nguyen)和美国国防部(资助号:W81XWH-16-1-0227,授予 D.X. Nguyen)的基金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 博来霉素 | Sigma | B5507-15UN | 注意 健康危害 GHS08 |
| Exel 导管 24G | Fisher | 1484121 | 移除针头。用于气管内注射 |
| 氯胺酮(Ketaset 注射液 100 mg/mL C3N 10 mL) | Butler Schein | 56344 | 用于小鼠麻醉 |
| 赛拉嗪 | Butler Schein | 33198 | 用于小鼠麻醉 |
| 酮洛芬,5,000 mg | Cayman Chemical | 10006661 | 镇痛剂 |
| Puralube 兽用眼科软膏 | BUTLER ANIMAL HEALTH COMPANY LLC | 8897 | 防止麻醉期间眼睛干涩 |
| D-荧光素粉末 | Perkin Elmer Health Sciences Inc | 122799 | 用于发光成像。用 PBS 重悬粉末至工作浓度 15 mg/mL。避光保存 |
| 啮齿类动物插管架 | Braintree Scientific | RIS-100 | 推荐用于气管内注射的支架 |
| MI-150 ILLUMINATOR 150W MI-150 | DOLAN-JENNER INDUSTRIES | MI-150 / EEG2823M | 用于照亮并可视化气管 |
| Graefe 镊子,2.75(7 cm)长锯齿 | Roboz | RS-5111 | 用于气管内注射 |
| 鲁尔锁式无菌注射器 5 mL | BD / Fisher | 309646 | |
| Conair Satiny Smooth 双刀网膜式可充电剃须刀(湿/干两用) | Conair | - | 用于剃除小鼠体毛 |
| Bonn 剪刀,3.5" 直头 15 mm 锐/锐安全刀刃 | Roboz | RS-5840SC | |
| 15 mL 锥形管 | BD / Fisher | 352097 | |
| 1.5 mL 离心管 | USA SCIENTIFIC INC | 1615-5500 | |
| 7 mL 硼硅酸盐玻璃闪烁瓶 GPI | Fisher | 701350 | |
| 滤芯移液器吸头(200 μL) | USA SCIENTIFIC INC | 1120-8710 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Life Technologies | 14190-144 | |
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA | Life Technologies | 25200-056 | |
| DMEM 高糖培养基 | Life Technologies | 11965-092 | |
| RPMI 1640 培养基 | Life Technologies | 11875-093 | |
| 胎牛血清 USDA | Life Technologies | 10437-028 | |
| 青霉素-链霉素 | Life Technologies | 15140-122 | |
| 两性霉素 B | Sigma | A2942-20ML | |
| 台盼蓝染色液 0.4% | Life Technologies | 15250-061 | |
| Countess 自动细胞计数仪 | Life Technologies | AMQAX1000 | |
| 细胞培养瓶 T/C 75 cm² 倾斜颈,蓝色瓶盖 | Fisher / Corning | 353135 | |
| IVIS Spectrum Xenogen 生物发光成像系统 | Perkin Elmer Health Sciences Inc | 124262 | 用于 in vivo 生物发光成像 |
| Living Image 软件 | Perkin Elmer Health Sciences Inc | 128113 | 用于 in vivo 生物发光分析 |
| XGI-8 气体麻醉系统 | Perkin Elmer Health Sciences Inc | 118918 | 用于异氟烷麻醉 |
| BD Ultra-Fine II 短针胰岛素注射器 1 cc,31 G × 8 mm(5/16 英寸) | BD / Fisher | BD328418 | 用于眶后静脉窦荧光素注射 |
| 1 mL 注射器 | BD / Fisher | 14-823-434 | 用于腹腔注射 |
| 26 G × 1/2 英寸针头 | BD / Fisher | 305111 | 用于腹腔注射 |
| 4% 多聚甲醛 | VWR | 43368-9M | 注意 健康危害 GHS07, GHS08。用于组织固定 |
| Pipet-Lite 移液器,通用型 SL-200XLS+ | METTLER-TOLEDO INTERNATIONAL | 17014411 | |
| Mayer 苏木精染液 | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | 517-28-2 | |
| 伊红 Y 染液 0.25%(w/v)溶于 57% | Fisher | 67-63-0 | |
| Masson 三色染色试剂盒 | IMEB Inc | K7228 | 用于 Masson 三色染色以显示胶原纤维 |
| Superfrost Plus 玻片 | Fisher | 1255015 | |
| 6 孔板 | Corning | C3516 | |
| 通用支原体检测试剂盒 | ATCC | 30-1012K | |
| OCT 包埋剂 | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | 62550-12 | 用于冷冻切片的组织包埋 |
| Leica CM3050 S 研究型冷冻切片机 | Leica | CM3050 S | 用于组织切片以进行染色分析 |
| Keyence 一体式荧光显微镜 | Keyence | BZ-X700 | |
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | IJ1.46 | http://rsbweb.nih.gov/ij/ download.html |
| Prism 7.0 for Mac OS X | GraphPad Software, Inc. | - | |
| 裸鼠(Crl:NU(NCr)-Foxn1nu) | Charles River | NIH-553 | |
| NSG 小鼠(NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ) | Jackson Laboratories | 5557 | |
| B6129SF1/J 小鼠 | Jackson Laboratories | 101043 | |
| NIH-H2030 细胞 | ATCC | CRL-5914 | |
| 368T1 | 由 Monte Winslow(斯坦福大学)慷慨提供 | - | |
| PC9 细胞 | Nguyen DX 等. Cell. 2009;138:51–62 | - | |
| H2030 BrM3 细胞 | Nguyen DX 等. Cell. 2009;138:51–62 | - |
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