本方案展示了延长患者来源异种移植瘤(PDX)体外培养时间的方法。其中一步通过简单去除无活力的单细胞,提高了多细胞簇在三维水凝胶中培养的整体存活率;另一步则展示了在灌注式微流控平台上进行PDX培养的最佳实践方法。
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本方案展示了延长患者来源异种移植瘤(PDX)体外培养时间的方法。其中一步通过简单去除无活力的单细胞,提高了多细胞簇在三维水凝胶中培养的整体存活率;另一步则展示了在灌注式微流控平台上进行PDX培养的最佳实践方法。
患者来源的异种移植瘤(PDX)是将切除的患者肿瘤组织直接移植到免疫缺陷小鼠体内而建立的模型,其生物学特性保持稳定,能够保留原始肿瘤的分子、遗传和组织学特征以及肿瘤异质性。然而,利用这些模型进行包括药物筛选在内的多种实验,往往在成本和时间上均难以承受。三维(3D)培养系统被广泛视为一种能够通过生化相互作用、形态和结构维持癌细胞生物学完整性的平台。我们的团队在使用透明质酸(HA)构成的三维基质体外培养PDX细胞方面具有丰富经验。为了分离与PDX相关的鼠源成纤维细胞基质细胞,我们采用旋转培养法,使基质细胞贴附于组织培养处理过的培养板表面,而解离的PDX肿瘤细胞则悬浮于培养基中并自聚集形成多细胞簇。悬浮液中还存在单个细胞(常为死亡细胞),这给后续将有活力的PDX细胞簇收集并包埋至水凝胶中进行三维细胞培养带来了挑战。为了将这些单个细胞与活细胞簇分离开,我们采用了密度梯度离心法。本文所述的实验方案可有效去除活细胞簇群体中的非活单细胞,从而获得适用于进一步体外实验的高质量细胞簇。在我们的研究中,将三维培养物接种于微流控培养板中,以实现培养过程中培养基的持续灌注。通过荧光成像法对纯化与未纯化细胞的培养结果进行活力检测后,结果显示,这一额外的分离步骤显著减少了培养物中非活细胞的数量。
在过去十年中,癌症研究领域重新燃起了对患者来源异种移植瘤(PDXs)的热情,将其作为评估癌细胞通路依赖性和药物敏感性的重要工具1。最常见的PDX模型是通过将人类肿瘤细胞——包括肿瘤组织碎片、解离的肿瘤来源细胞团簇或分离的循环肿瘤细胞(CTCs)样本——皮下或原位植入啮齿类宿主体内而建立的。如果肿瘤“成瘤”成功,异种移植的细胞将增殖、形成血管,并与宿主组织发生其他相互作用,从而形成肿瘤;随后可在肿瘤达到理想大小时将其取出,分割后再次移植到其他宿主体内。作为模型系统,PDX具有诸多优势,通常能够保留原发肿瘤细胞群体中大部分的异质性,并支持对人类特异性通路和细胞反应的评估2,3。在体内环境中,肿瘤可与血管系统及其他邻近间质组织相互作用,重现诸如药物扩散动力学、氧张力以及细胞外基质影响等组织特性,这些因素在生物学和力学层面均会影响肿瘤的进展。PDX的一个缺点是其对啮齿类宿主的依赖性,无论是在肿瘤扩增阶段,还是最终的假设验证实验中均需依赖活体动物。由于许多PDX模型在传统二维(2D)组织培养聚苯乙烯表面培养时,若不失去其诸多理想特性便难以适应,因此研究人员在这一相对可控的体外方法与体内PDX使用所带来的成本、设施和时间需求显著增加之间,长期缺乏合适的中间选择。
我们已描述了多种在支持性基质中实施三维细胞培养的体外模型,并近期将该工作扩展至证明多种前列腺癌(PCa)来源的患者来源异种移植瘤(PDX)的离体培养,既可单独培养,也可与骨髓来源的成纤维细胞共培养4,5。基于透明质酸(HA)的水凝胶基质为这两类细胞提供了可定制且具有生物学相关性的支持环境,同时可便捷地调控水凝胶特性,并具备良好的光学透明性,便于对水凝胶深度进行成像观察6。
成熟的PDX肿瘤组织包含多种异质性的人类癌细胞和小鼠间质(成纤维细胞、内皮细胞等)的混合物。为了在体外研究特定细胞类型对肿瘤进展的贡献,可将肿瘤组织解离,分离不同细胞群体,并以有序方式在实验中重新组合,从而解析细胞间通讯的通路。组织消化产物中的混合细胞群体对特定培养条件具有不同的适应性。例如,肿瘤相关成纤维细胞的存活需要依赖于表面贴壁生长,或在含有整合素配体的功能化三维基质中培养,而上皮来源的PDX细胞通常不需要这些条件,反而更依赖细胞间的相互作用。这些差异可用于有效分离PDX细胞与污染的小鼠间质细胞。通过旋转培养组织消化产物,可使间质细胞贴附于组织培养表面,而PDX细胞则因细胞间黏附作用在旋转培养表面之上悬浮,并在24–48小时内于上清液中形成多细胞簇。这些细胞簇的具体特征随PDX模型的不同而变化(例如,大而紧密、高度球形的细胞簇,或较小、较松散、呈葡萄串状的聚集体),但通常具有生物学相关尺寸(直径50–250 µm),足以用于评估依赖细胞间接触的细胞相互作用。
肿瘤的回收与处理不可避免地会导致一定程度的附带性细胞死亡,这种死亡可能源于机械或酶解处理造成的短期损伤,也可能源于细胞亚群与所选培养条件之间的长期不相容性。尽管旋转培养可作为初步的粗分离手段,但死细胞或濒死细胞仍不可避免地会随PDX细胞簇一同被转移,并影响后续培养结果。这些死亡细胞通常包括未整合进细胞簇的单个PDX细胞、无法在选定培养条件下存活的小鼠间质成纤维细胞,以及特别脆弱的内皮细胞。此类濒死细胞可能干扰对“存活细胞”的实验结果,并显著影响定量分析,例如基于荧光成像的活力筛选实验。为了提高从该方法中筛选活PDX细胞的效果,我们改进了带有密度梯度步骤的离心方法,可简便地从PDX混合物中去除单个的死细胞或濒死细胞,从而主要保留活的多细胞簇。
为了加强在三维培养中对PDX来源的细胞簇的研究,我们采用了一种基于微流控的灌注培养平台——OrganoPlate(图1),这是一种高通量的“器官芯片”平台,可在384孔微孔板基础上同时培养多达96个独立的灌注式三维培养体系(图1A)7,8。在双通道微流控板中,单个组织芯片通过两个微流控通道相连(图1B,凝胶通道:红色,灌注通道:蓝色),这两个通道横跨同一行的四个孔。两个微流控通道之间由一条短的塑料脊隔开,称为Phaseguide,可防止一个通道中的液体溢入相邻通道,同时允许凝胶通道与灌注通道内容物之间形成无膜界面9。由于微流控板底部由显微镜级玻璃构成,因此可通过标准或自动化显微镜从板底部的观察窗对培养物进行成像。灌注通过可编程摇床实现,利用重力驱动培养基在储液孔之间的微流控通道中流动(图1C)。这种灌注流更真实地模拟了肿瘤微环境,相较于静态培养,能够引入剪切应力,并增强气体和营养物质的分布。此前已有研究描述了在微流控板中维持灌注型癌细胞培养的优势:与相同细胞的静态三维培养相比,灌注型乳腺癌培养表现出更佳的细胞活力7。
本报告介绍了一种改良的密度梯度离心法,用于分离活体多细胞PDX聚集体,并展示了该方法在可灌注微流控板中建立3D PDX培养体系的应用价值。由于越来越多的研究实验室正在寻求促进PDX应用的技术方法,我们预计本文所呈现的实验方案将具有直接的应用价值。
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肿瘤组织的获取已获得患者知情同意,并遵循经批准的机构审查委员会(IRB)方案。异种移植瘤的植入、培养和收获均按照经认可的机构动物护理和使用委员会(IACUC)方案进行。
注意:所有操作均须在无菌生物安全柜中进行,以保持无菌状态。除非另有说明,所有步骤均应在室温下进行。
1. PDX 处理所需材料的准备
2. PDX 解离及基质组分的初步纯化
3. 基于密度梯度离心法分离PDX来源的细胞簇与单细胞
4. 水凝胶制备与微流控板接种
5. 细胞染色、成像及图像定量分析
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在标准的水套式细胞培养箱中准备了一个可编程的灌注摇床,并在标准的生物安全柜中准备了双通道微流控板以进行加样(图1)。将MDA-PCA-118b PDX肿瘤在体内扩增,待其达到最大尺寸后收获,并按照方案第2节所述方法进行解离,从而制备成近似单细胞状态的细胞悬液(图2A)。将该细胞悬液分装至6孔细胞培养板中,按所述方法置于XY旋转仪上孵育48小时。小鼠间质细胞附着于细胞培养板底部,如先前所述,而人源PDX细胞则悬浮于培养基中并聚集成簇(图2B)。此外,在溶液中亦可见未参与聚集体的单个细胞。
采用第3部分方案中的方法在离心管中建立阶梯密度梯度。轻轻吸出多孔板中的PDX细胞上清悬浮液,加至阶梯梯度上,按所述条件进行离心。离心后,在第2与第3组分的界面附近可见一浑浊条带,其中含有PDX细胞簇,而单个细胞则位于第1与第2组分的界面处(图2D)。按所述方法收集...
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本文介绍了一种在高通量灌注式三维培养系统中处理和培养具有活性的PDX来源肿瘤细胞的方法。尽管本方案使用前列腺癌(PCa)PDX组织,但该方法同样适用于其他上皮来源的肿瘤。即使在同一组织来源(如前列腺、乳腺等)中,不同PDX品系之间的肿瘤特性也存在差异。某些PCa PDX品系纤维化程度较高,难以从中分离出活细胞,而另一些品系则细胞含量更丰富。此处所述的肿瘤大小可根据IACUC指南进行调整,以针对产率特别低的肿瘤提供更多的组织材料。此外,可在步骤2.7之后收集肿瘤碎片,进行再次消化,并与初次消化产物合并,以提高细胞产量。这对于细胞外基质含量较高的肿瘤尤为有效。通常情况下,超过两轮的重复消化会导致细胞活力和产量显著降低,因此不建议进行。
纯化PDX来源的细胞群体,以去除死亡或濒死细胞以及污染的宿主细胞,对于目标癌细胞的长期三维培养和定量具有重要意义。本文所述纯化的第一步——在相对大量培养基中进行悬浮培养,同时以中等速度进行XY旋转——可促进:1)选择性去除高度依赖黏附的细胞(通常是小鼠间质成纤维细胞);2)形成细胞聚集体,以提供促进存活的细胞间接触。在48小时XY旋转步骤中去除宿主来源的...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国国立卫生研究院国家癌症研究所小型企业创新研究一期项目(HHSN26120700015C)和 P01CA098912 资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1N NaOH | 任何合适的组织培养级产品 | ||
| 60 mm 圆形组织培养皿 | 任何合适的 | ||
| 6孔组织培养板 | 任何合适的 | ||
| 70 µm 细胞筛 | Corning | 431751 | 或同等产品 |
| 离心机 | Eppendorf | 5810R,配备适用于15/50 mL锥形离心管的转子和吊篮 | 或同等产品 |
| 密度梯度离心液 | Millipore Sigma | P1644 | Percoll |
| 二甲基亚砜 | 任何合适的组织培养级产品 | ||
| 解离酶溶液 | StemCell Technologies | 07921 | ACCUMAX |
| DMEM-F12 | ThermoFisher Scientific | 11039021 | 或同等产品 |
| 镊子 | 任何合适的 | ||
| HA水凝胶试剂盒 | ESI BIO | GS311 | HyStem(巯基化透明质酸和PEGDA) |
| Hanks平衡盐溶液 | Lonza | 10-527F | 或同等产品 |
| 热灭活胎牛血清 | Atlanta Biologicals | S11150 | |
| 血细胞计数板 | Fisher Scientific | 02-671-51B Hausser BrightLine | 或同等产品 |
| Hoechst 33342 | ThermoFisher Scientific | H1398 | 或同等产品 |
| 图像处理软件 | Oxford Instruments | Imaris 9.3 | 或同等产品 |
| LIVE/DEAD细胞活力/细胞毒性检测试剂盒(Calcein-AM/Ethidium Homodimer-1) | ThermoFisher Scientific | L3224 | 或同等产品 |
| 微流控培养板 | Mimetas | 9603-400-B | 双通道OrganoPlate |
| 显微镜 | Nikon | A1R | 或同等产品 |
| 多通道移液器 | Eppendorf | 3125000036 | 或同等产品 |
| 源自PDX的肿瘤组织 | 在获得人类组织研究的IRB批准和动物宿主研究的IACUC批准后获取 | ||
| 青霉素-链霉素 | ThermoFisher Scientific | 15140-122 | 或同等产品 |
| 灌注摇床 | Mimetas | OrganoPlate Perfusion Rocker Mini | |
| pH试纸(pH 5-9) | 任何合适的 | ||
| 磷酸盐缓冲液 | Lonza | 17-516F | 或同等产品 |
| 剃须刀片 | 任何合适的 | ||
| 旋转式xy摇床 | VWR | Advanced 3500 Orbital Shaker | 或同等产品 |
| 手术刀柄 | 任何合适的 | ||
| 单通道重复移液器 | Eppendorf | 22260201 | |
| 无菌15 mL锥形离心管 | 任何合适的 | ||
| 无菌50 mL锥形离心管 | 任何合适的 |
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