本文介绍了一种球形体成像装置的制备方案。该装置可实现对癌细胞球形体的动态或长期荧光成像。本方案还提供了一种简单的图像处理流程,用于分析癌细胞的侵袭行为。
本文介绍了一种球形体成像装置的制备方案。该装置可实现对癌细胞球形体的动态或长期荧光成像。本方案还提供了一种简单的图像处理流程,用于分析癌细胞的侵袭行为。
癌细胞从原发肿瘤侵入邻近健康组织是转移的早期步骤。侵袭性癌细胞构成了重大的临床挑战,因为一旦其扩散开始,目前尚无有效方法可将其清除。深入理解调控癌细胞侵袭的机制,可能有助于开发新型高效疗法。由于类球体(spheroids)在生理上与肿瘤相似,研究人员已广泛利用嵌入Ⅰ型胶原中的类球体来研究癌细胞侵入细胞外基质(ECM)的机制。然而,该实验方法存在以下局限性:(1)无法精确控制类球体在ECM中的嵌入过程;(2)Ⅰ型胶原和玻底培养皿成本较高;(3)免疫荧光标记不可靠,原因是抗体和荧光染料渗透效率低;(4)图像处理和数据量化耗时较长。为解决这些问题,我们优化了三维(3D)类球体实验方案,可用于对嵌入Ⅰ型胶原中的荧光标记癌细胞进行延时录像或纵向成像,并分析癌细胞的侵袭行为。首先,我们描述了类球体成像装置(SID)的制备方法,以实现类球体在最小体积Ⅰ型胶原中的可靠嵌入,从而降低实验成本。接着,我们详细说明了对活体和固定类球体进行稳定荧光标记的操作步骤。最后,我们提供了一个易于使用的Fiji宏程序,用于图像处理和数据量化。总体而言,这一简便方法为在Ⅰ型胶原中监测癌细胞侵袭提供了可靠且经济的平台。此外,该方案可轻松修改以满足不同用户的需求。
在癌症进展过程中,癌细胞可以获得运动性和侵袭性表型,从而脱离肿瘤组织并侵入周围组织1。最终,这些侵袭性癌细胞可到达继发器官并在其中生长,这一过程称为癌症转移1。转移导致超过90%的癌症相关死亡2。其原因之一在于,尽管局部肿瘤在临床上可控,但一旦发生转移性扩散,目前尚无有效方法可清除侵袭性癌细胞。因此,侵袭性癌细胞的出现以及从局部性疾病向侵袭性疾病的转变构成了重大的临床挑战。明确癌细胞如何启动并维持侵袭行为,可能有助于开发新型高效疗法。
三维球状模型是研究癌细胞在受控但具有生理相关性条件下运动行为的理想平台3。在此实验中,癌细胞形成的球状体被包埋于细胞外基质(ECM)中,例如Ⅰ型胶原蛋白,以模拟简化的肿瘤环境。随后通过成像技术观察癌细胞从球状体向胶原基质中侵袭的过程。然而,该方法仍面临多种挑战。
第一个挑战出现在包埋步骤中,液态胶原基质可能在培养皿表面扩散,导致类球体接触到培养皿底部。结果,类球体中的细胞在二维(2D)表面上铺展,破坏了三维(3D)类球体的形态。增加胶原蛋白用量是一种有效的解决方案,但成本较高。为了防止细胞在二维表面上铺展,同时保持胶原蛋白用量最小化,我们通过将一个厚度为1 mm、带有三个孔的聚二甲基硅氧烷(PDMS)插件固定在玻璃底培养皿上,开发了一种类球体成像装置(SID)。
类球体实验的第二个挑战是类球体中癌细胞的标记,这受到抗体和荧光染料渗透性差的限制,且该效应随类球体尺寸增大而加剧。尽管标记细胞的理想方法是建立稳定表达荧光蛋白的细胞系,但该方法主要局限于永生化细胞系,并受限于荧光蛋白融合体的可获得性。本文中,我们描述了一种针对固定类球体的免疫荧光染色优化方案,以及在包埋类球体前高效使用细胞质染料对细胞进行标记的方法。
类球体实验的第三个挑战在于缺乏用于随时间半自动量化细胞侵袭的简单 Fiji 宏。为解决这一挑战,我们描述了一种随时间分析类球体面积的简单方法。我们以 4T1 和 67NR 细胞系为例,说明了该方案的优势。
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1. 制备用于优化类球体包埋的类球体成像装置(SID)(耗时1天)
2. 类球体形成及包埋入胶原蛋白(持续时间4天)
注意:若需对类球体进行活体成像(纵向观察或延时视频),请使用表达细胞质和/或细胞核荧光蛋白的细胞系。如有此类细胞系,可按照本节所述步骤操作。或者,也可参考第3节中提出的使用细胞质染料标记类球体中癌细胞的实验方案。
3. 类球体的荧光标记
4. 图像处理以分析随时间推移的癌症侵袭情况
注意:此宏所需的格式为单通道 x,y,t 图像,需保存为 .tiff 文件。
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由于其良好的生物相容性,聚二甲基硅氧烷(PDMS)被广泛用于微结构限域孔、印模和模具的微加工,推动了微图案化技术和微流控装置的发展。本文所述方法利用PDMS制备SIDs(可定制的微孔结构),以优化类球体的包埋和成像过程。图1展示了SIDs制备过程中使用的主要组件。为浇铸PDMS模具,首先通过3D打印制备一个1 mm厚的间隔层(图1A、B),将其置于两块玻璃板之间,并用大夹子密封。将PDMS注入玻璃板之间的空隙并进行烘烤,即可形成厚度为1 mm的PDMS薄片。SID结构示意图(图1C)标明了最优装置的尺寸参数,但由于使用活检打孔器手动打孔,孔间距可能存在轻微偏差(图1D)。图1D和F显示PDMS插件中的孔洞呈清晰的圆形,且孔间距均匀。
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设计3D打印间隔器用于制备厚度为1 mm的PDMS片材,随后可根据实验应用需求方便地加工成各种形状的PDMS结构。由于其制备过程简单且设计可灵活调整,该PDMS浇铸方法被选用于SID的初始设计。若需大量生产SID,可通过制作包含已带有三个等距孔的PDMS圆片的3D打印模具,将制备过程简化为一步操作,从而提高生产效率。这种方法可省去逐个打孔及后续制作三个孔的步骤,显著缩短整体准备时间。
尽管3孔打孔器是为与35 mm玻璃底培养皿配合使用而设计的,但也可提供其他尺寸,可打更多孔,从而实现平行成像更多的类球体。此外,市面上还可购得定制尺寸的盖玻片,结合3D打印的支架,可实现高通量类球体检测。采用这种方法时,限制因素是数据采集速度——例如,在我们的多色延时共聚焦成像中,获取单个类球体的三维图像堆栈约需2.5分钟。因此,对SID中的3个类球体获取三维堆栈图像大约需要8分钟。因此,为了维持我们偏好的每10分钟成像一次堆栈的频率,我们无法增加SID中的孔数。
为了记录和量化活体癌细胞在三维球状模型中的侵袭行为,可以使用明场成像
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Temple大学生物工程系成员提供的宝贵讨论。感谢David Ambrose在流式细胞术核心实验室(Lewis Katz医学院)在细胞分选方面的协助,以及Tony Boehm来自IDEAS Hub(Temple大学工程学院)在3D打印方面的帮助。我们还感谢以下资助来源:美国癌症协会研究学者基金134415-RSG-20-034-01-CSM、战胜癌症基金会/青年研究者奖、美国国立卫生研究院R00 CA172360和R01 CA230777项目,以上经费均授予BG。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 N NaOH | Honeywell Fluka | 60-014-44 | |
| 10X Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液(PBS) | Gibco | SH30028.LS | |
| 16% 多聚甲醛(PFA) | Alfa Aesar | 43368-9M | |
| 1X Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液(PBS) | Gibco | 20012027 | |
| 4’,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI) | Invitrogen | D1306 | |
| 48 孔板 | Falcon | T1048 | |
| Alexa Fluor 647 鬼笔环肽 | Life Technologies | A20006 | |
| 抗 cortactin 抗体 | Abcam | ab33333 | 1 至 200 稀释 |
| 抗 E-钙黏蛋白抗体 | Invitrogen | 13-1900 | 1 至 100 稀释 |
| 牛端胶原蛋白 I 溶液(Nutragen) | Advanced Biomatrix | 501050ML | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma Aldrich | A4503-50G | |
| CellTracker Red CMTPX 染料 | Invitrogen | C34552 | |
| 锥形管 | Falcon | 352095 | |
| 盖玻片 | FisherBrand | 12-548-5E | |
| 一次性容器 | Staples | 塑料杯 | |
| 一次性移液管 | Thermo Scientific | 202 | |
| DMEM | Fisher Scientific | 11965118 | |
| 双面胶带 | Scotch | ||
| 乙醇 | Sigma Aldrich | E7023-500ML | |
| 胎牛血清(FBS) | Bio-Techne | S11550 | |
| Fluoromount-G | eBioscience | 00-4958-02 | |
| 戊二醛 | Sigma Aldrich | G5882-100mL | |
| Hoescht 核染色剂 | Thermo Fischer | 62249 | |
| 异丙醇 | Thermo Fischer | S25371A | |
| MatTek 培养皿(玻璃底培养皿) | MatTek Corporation | P35G-1.5-14-C | |
| 甲基纤维素 | Sigma Aldrich | M6385-100G | |
| MilliQ 水 | |||
| 青霉素/链霉素溶液 | Thermo Fischer | 15140122 | |
| 培养皿 | Corning | 353003 | |
| 移液器吸头 | Fisherbrand | 02-707 | |
| 移液器 | Gilson | F167300 | |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma | P8920 | |
| 一抗,用户自定 | |||
| 大鼠尾胶原蛋白 I | Corning | 47747-218 | |
| 剃须刀片 | Personna | 74-0001 | |
| 二抗,用户自定 | |||
| 载玻片 | Globe Scientific | 1354W-72 | |
| Sylgard 184 硅胶 | Dow Corning | 4019862 | |
| 胶带 | Scotch | ||
| Triton X100 | Sigma Aldrich | 10789704001 | |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | 655204-100ML |
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