我们介绍一种使用 Fiji-ImageJ 对 4T1 乳腺癌模型中的肺转移进行更一致且更快速定量的方法。
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我们介绍一种使用 Fiji-ImageJ 对 4T1 乳腺癌模型中的肺转移进行更一致且更快速定量的方法。
乳腺癌是一种严重的恶性肿瘤,仅在2019年就导致美国约4万名女性死亡,占当年美国女性新发癌症病例的30%。乳腺癌相关死亡的主要原因是转移性病变负担。因此,为了具有临床相关性,乳腺癌的临床前模型必须能够分析转移性病变负担。4T1乳腺癌模型为Ⅳ期人类乳腺癌提供了一种可自发转移且可量化的鼠类模型。然而,目前大多数4T1实验方案通过在组织培养板上人工计数染色的克隆集落来量化转移负担。这种方法对于转移负担较低的组织尚可适用,但在培养板集落融合、难以计数的情况下,人工计数容易引入人为误差,导致结果不一致且变异较大。本方法提供了一种基于计算机的解决方案,以克服人工计数的误差。本文中,我们以肺组织为例对该方案进行评估,肺是4T1模型中转移程度较高的组织。将亚甲蓝染色后的培养板进行成像并上传至Fiji-ImageJ软件进行分析。Fiji-ImageJ随后计算图像选定区域内呈蓝色部分所占的百分比,该数值代表培养板上存在转移病变的区域比例。相较于人工计数或组织病理学评估,这种基于计算机的方法在高转移性组织的分析中具有更高的一致性和更快的分析速度。Fiji-ImageJ分析结果的一致性依赖于图像质量。不同图像之间可能出现轻微的结果差异,因此建议拍摄多张图像并取平均值作为最终结果。尽管该方法存在少量局限性,但在肺组织转移负担的量化方面,仍因其结果的一致性和高效性而优于传统方法。
每八名女性中就有一人在其一生中会被诊断出患有乳腺癌,尽管存在多种治疗方案,乳腺癌仍是美国女性癌症相关死亡的第二大原因1。这些女性并非死于乳腺中的原发性肿瘤,而是由于肿瘤常转移至肺、骨、脑、肝和淋巴结,转移负担导致了该疾病的死亡率2。因此,乳腺癌模型需要评估转移情况,以有助于降低该疾病的死亡率。4T1小鼠乳腺癌模型是实现这一目标的优秀方案。本文所述方法通过使用Fiji-ImageJ对肺转移进行定量分析,对4T1模型进行了改进,可获得一致且快速的结果。
4T1 模型已被广泛确立,大多数实验室采用的是 Pulaski 和 Ostrand-Rosenberg 于 2001 年描述的实验方案3。4T1 细胞系具有 6-硫鸟嘌呤(6TG)抗性,代表第四阶段的三阴性乳腺癌3,4,5。该模型具有临床相关性,属于原位移植模型,可自发转移至与人类乳腺癌相同的器官3,4。4T1 细胞的自发转移率可根据接种的细胞数量进行预测3,4。重要的是,本研究所用小鼠之间的遗传差异会导致转移负荷出现预期的个体间变异性。为评估转移情况,需采集组织,利用 6TG 筛选和亚甲蓝染色法收集并定量远端部位的癌细胞。结果表现为一系列组织培养板,其上的蓝色斑点代表转移性克隆。然而,Pulaski 和 Ostrand-Rosenberg 的方案依赖人工计数来量化转移克隆,因此该方法一直是此模型中评估转移的标准手段。尽管对于转移负荷较低的组织而言该方法较为简便,但肺等组织常含有大量转移灶。由于肺组织培养板常高度融合,通过人工计数准确且精确地量化转移克隆十分困难,且易受人为误差影响。为了更准确地量化转移负荷,我们介绍使用 Fiji-ImageJ 软件作为减少人为计数误差的计算机化解决方案。苏木精-伊红(H&E)染色的组织病理学分析是另一种量化肺转移的方法,有趣的是,该方法也已通过 Fiji-ImageJ 软件得到改进6,7。然而,由于组织病理学分析仅观察肺部的一个切片,可能不够准确且不具备代表性。这是因为 4T1 模型在器官内引发多个分布不均的转移病灶。尽管组织病理学分析与人工计数之间的总体趋势可能相似8,但个体数值可能存在差异,因此不应将组织病理学分析作为唯一的量化手段。我们展示了该方法相较于组织病理学分析的优势,以及不同操作者之间人工计数的不一致性,同时证明了使用 Fiji-ImageJ 的一致性。此外,我们还表明,该方法可将孵育时间从 10–14 天缩短至 5 天,意味着研究人员能够比依赖人工计数更早地分析研究数据。
本方法是对Pulaski和Ostrand-Rosenberg方案3的一系列简单优化。由于4T1模型被广泛使用,且肺转移是临床前模型中一个关键的评估指标,我们认为该方法具有广泛的适用性,对乳腺癌研究人员具有重要价值。所需额外器材仅为一台相机,以及可运行Fiji-ImageJ软件的计算机,后者是一款在图像分析中常用且免费的软件9。本方法特别针对肺转移进行优化,但也可用于其他具有显著转移负荷的组织。
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本文所述所有方法均已获得弗吉尼亚理工学院动物护理与使用委员会(IACUC)的批准,并符合美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》的要求。实施本方案需获得相关机构的许可,并严格遵守所有适用的指导原则。
1. 细胞培养
2. 注射
3. 监测
4. 尸检
5. 组织处理
注意:本节所有步骤均应使用无菌技术进行。
6. 染色平板
7. 图像分析
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本方法对Pulaski和Ostrand-Rosenberg的4T1方案进行了简单调整3,具体流程可参见图1。当3名独立研究人员对12块肺组织平板(1:10稀释)上的转移灶进行手动计数时,不同计数者之间的结果存在显著差异(图2A)。尽管所有研究人员均被明确指示“计数呈现为蓝色斑点的转移灶”,但结果的不一致性仍反映出在高度转移性平板上进行人工计数所存在的问题。这些研究人员在使用4T1模型方面的经验水平各不相同。为与Fiji-ImageJ肺组织平板分析结果进行对比,另由一名经委员会认证的兽医病理学家对H&E染色的肺组织切片进行转移灶分析(图2B)。
使用 Fiji-ImageJ 分析,3 名不同的研究人员分别对 12 块平板(1:2 稀释)的集合进行了 3 次独立图像分析。图像在两个不同的实验室内拍摄,光照条件略有差异。各图像之间平板的排列方式或拍摄角度均...
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如所示,手动计数每块肺组织平板上的转移性病灶可能是一种不准确且不精确的肺转移量化方法,这表明需要更优的量化手段(图2)。组织病理学分析结果与手动计数和Fiji-ImageJ分析均略有差异(图2B和4D),这可能是因为H&E切片并不能代表整个器官的全貌。本方案采集的是完整的肺组织,因此更能代表总体肺转移情况,且比手动计数更具一致性。我们尝试了多种不同的Fiji-ImageJ分析方法,相关讨论如下,但上述方案似乎是更优的方法。
本研究采集了肺、血液和脑组织样本。然而,血液和脑组织样本中的转移性克隆数量极少,甚至可能完全不存在。我们确定,对于这些转移程度较低的组织,人工计数转移性克隆是最优方法,因此未纳入血液和脑组织的数据。当转移负荷较容易进行人工计数时(例如仅有十个或二十个转移性克隆,而非成千上万个),人为误差的原始问题便不再相关,因此无需使用本方案。此外,血液样本在固定后可能在培养板上留下深色斑点,干扰 Fiji-Image...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由弗吉尼亚-马里兰兽医学院(IA)、弗吉尼亚理工大学关键技术和应用科学研究所健康工程中心(IA)以及美国国立卫生研究院R21EB028429项目(IA)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 麻醉室 | 参见备注 | 参见备注 | 使用贵机构政策批准的材料 |
| 麻醉剂 | 参见备注 | 参见备注 | 使用贵机构政策批准的材料 |
| BALB/c 雌性小鼠 | The Jackson Laboratory | 000651 | |
| 钝头剪刀 | Roboz | RS-6700 | |
| 计算器 | 任意 | 任意 | |
| 相机 | 任意 | 任意 | 最低 800 万像素 |
| 离心机 | 任意 | 任意 | 需能够达到 125 × g 和 300 × g |
| CO2 安乐死装置 | 参见备注 | 参见备注 | 使用贵机构政策批准的材料 |
| 冷室、冰箱、冷藏设备 | 任意 | 任意 | |
| 配备 Fiji-ImageJ 的计算机 | 任意 | 任意 | 需能够运行 Fiji-ImageJ |
| 计数板 | Fisher Scientific | 02-671-10 | |
| 弯头剪刀 | Roboz | RS-5859 | |
| 蒸馏水 | 任意 | 任意 | |
| 弹性蛋白酶 | MP Biomedicals | 100617 | |
| 电子天平 | 任意 | 任意 | |
| 胎牛血清(FBS) | R&D Systems | S11150 | |
| 镊子 | Roboz | RS-8100 | |
| 冰 | N/A | N/A | |
| 培养箱 | 参见备注 | 参见备注 | 需能够维持 5% CO2 和 37 °C |
| 甲醇 | Fisher Scientific | A412SK-4 | |
| 亚甲蓝 | Sigma-Aldrich | 03978-250ML | |
| 青霉素-链霉素 | ATCC | 30-2300 | |
| 大头针或针头 | 任意 | 任意 | 用于尸检时固定小鼠 |
| 塑料游标卡尺 | VWR | 25729-670 | |
| RMPI-1640 培养基 | ATCC | 30-2001 | |
| 摇床或旋转轮 | 任意 | 任意 | |
| 锐利剪刀 | Roboz | RS-6702 | |
| 带 PES 膜的无菌一次性滤器 | ThermoFisher Scientific | 568-0010 | |
| T-150 培养瓶 | Fisher Scientific | 08-772-48 | |
| T-25 培养瓶 | Fisher Scientific | 10-126-10 | |
| T-75 培养瓶 | Fisher Scientific | 13-680-65 | |
| 三角形塑料烧杯 | Fisher Scientific | 14-955-111F | 用于称量小鼠 |
| 台盼蓝 | VWR | 97063-702 | |
| 胰蛋白酶-EDTA | ATCC | 30-2101 | |
| IV 型胶原酶 | Sigma-Aldrich | C5138 | |
| 3.5 cm 组织培养板 | Nunclon | 153066 | |
| 1 mL 注射器 | BD | 309659 | |
| 1.7 mL 微量离心管 | VWR | 87003-294 | |
| 10 cm 组织培养板 | Fisher Scientific | 08-772-22 | |
| 12 孔板 | Corning | 3512 | |
| 15 mL 离心管 | Fisher Scientific | 14-959-70C | |
| 1× 杜氏磷酸盐缓冲液(DPBS) | Fisher Scientific | SH30028FS | |
| 1× Hank’s 平衡盐溶液(HBSS) | Thermo Scientific | SH3026802 | |
| 27 号 1/2 英寸针头 | Fisher Scientific | 14-826-48 | |
| 4T1(ATCC® CRL2539™) | ATCC | CRL-2539 | |
| 50 mL 离心管 | Fisher Scientific | 14-959-49A | |
| 6-巯基嘌呤 | Sigma-Aldrich | A4882 | |
| 70 μm 细胞筛 | Fisher Scientific | 22-363-548 | |
| 70% 乙醇 | Sigma Aldrich | E7023 | 用去离子水稀释至 70% |
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