本文描述了一种标准方案,用于在头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)同源小鼠模型中研究IL-1α的抗肿瘤活性及其相关毒性。
本文描述了一种标准方案,用于在头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)同源小鼠模型中研究IL-1α的抗肿瘤活性及其相关毒性。
细胞因子治疗是一种有前景的免疫治疗策略,可在癌症患者中引发强烈的抗肿瘤免疫反应。促炎性细胞因子白细胞介素-1α(IL-1α)已在多项临床前和临床研究中被评估为抗癌剂。然而,其剂量限制性毒性(包括类流感症状和低血压)降低了人们对这一治疗策略的热情。在此背景下,采用聚酸酐纳米颗粒(NP)递送IL-1α将是一种有效的策略,因其可能实现IL-1α在体内的缓慢、可控释放,同时减少毒性副作用。本文描述了在头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)同基因型小鼠模型中,负载IL-1α的聚酸酐纳米颗粒抗肿瘤活性的分析方法。将稳定表达HPV16 E6/E7、hRAS及荧光素酶(mEERL)的小鼠口咽上皮细胞皮下注射至C57BL/6J小鼠右侧 flank 区域。当肿瘤在任一方向达到3–4 mm时,通过腹腔注射给予小鼠1.5% IL-1α负载的20:80 1,8-双(对羧基苯氧基)-3,6-二氧杂辛烷:1,6-双(对羧基苯氧基)己烷(CPTEG:CPH)纳米颗粒(IL-1α-NP)制剂。持续测量肿瘤大小和体重,直至肿瘤尺寸或体重下降达到安乐死标准。通过下颌静脉穿刺采集血液样本,利用细胞因子多重检测法评估抗肿瘤免疫反应,并通过多色流式细胞术分析肿瘤组织和腹股沟淋巴结经匀浆处理后获得的单细胞悬液中的多种免疫细胞。这些标准方法将使研究人员能够深入研究免疫刺激性纳米颗粒及其他免疫治疗剂在癌症治疗中的抗肿瘤免疫反应及其潜在作用机制。
癌症免疫治疗的一个新兴领域是利用炎性细胞因子激活患者免疫系统以对抗其肿瘤细胞。多种促炎性细胞因子(如干扰素-α(IFNα)、白细胞介素-2(IL-2)和白细胞介素-1(IL-1))能够引发显著的抗肿瘤免疫反应,这促使人们开始关注基于细胞因子药物的抗肿瘤特性及其安全性。其中,白细胞介素-1α(IL-1α)是一种被称为炎症“主控细胞因子”的促炎性细胞因子1。自20世纪70年代末发现该细胞因子以来,研究人员已探索其作为抗癌药物以及用于缓解化疗不良反应的造血药物的潜力2。在20世纪80年代末,多项临床前和临床研究被开展以评估IL-1α的抗癌作用3,4,5,6。这些研究发现,重组IL-1α(rIL-1α)对黑色素瘤、肾细胞癌和卵巢癌具有良好的抗肿瘤活性。然而,常见毒性反应包括发热、恶心、呕吐、流感样症状,最严重的是剂量限制性低血压。遗憾的是,这些与剂量相关的毒性反应抑制了rIL-1α进一步临床应用的热情。
为了应对IL-1α介导的毒性这一关键问题,将研究采用聚酸酐纳米颗粒(NP)制剂,该制剂可通过表面侵蚀动力学实现IL-1α的可控释放。这些NP制剂旨在保留IL-1α抗肿瘤特性的优势,同时减少剂量限制性副作用7。聚酸酐是经美国食品药品监督管理局(FDA)批准的聚合物,可通过表面侵蚀降解,从而实现包封药物近乎零级释放8,9,10,11,12。已有研究报道,含有1,8-双-(p-羧基苯氧基)-3,6-二氧杂辛烷(CPTEG)和1,6-双-(p-羧基苯氧基)己烷(CPH)的两亲性聚酸酐共聚物,可作为肿瘤学及免疫学研究中多种药物递送的优良载体系统8,12。在以下实验方案中,将使用负载1.5 wt.%重组IL-1α(rIL-1α)的20:80 CPTEG:CPH纳米颗粒(IL-1α-NPs),在头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)小鼠模型中研究该细胞因子的抗肿瘤活性及毒性。
以下实验方案的总体目标是评估IL-1α-NPs对头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)的抗肿瘤活性。所描述的实验步骤,包括肿瘤生长和生存率的评估,可适用于任何感兴趣的免疫调节剂。这些实验应在具有完整免疫系统的同源小鼠模型中进行13 以最大程度提高临床相关性。IL-1α-NP的毒性还将通过检测循环中促炎细胞因子水平的变化及动物体重变化来评估。目前有多种方法可用于确定 体内 药物毒性;然而,目前最常用的方法是通过检测血清酶水平评估器官毒性,并观察这些器官的组织学变化。然而,进行组织学分析需要处死实验动物,这会影响实验的生存曲线。因此,本方案将包括从活体小鼠采集血液的方案,用于检测血清样本中的细胞因子。所获得的血清可用于检测任何目标血清分析物以评估器官毒性。将采用多色流式细胞术来分析肿瘤微环境中的免疫细胞群体变化以及免疫细胞向淋巴结的迁移情况。此外,也可采用其他方法鉴定免疫细胞,包括对保存的组织切片进行免疫组织化学和/或免疫荧光染色。14然而,这些技术在大量动物样本上操作时可能耗时且繁琐。总体而言,以下方法将使研究人员能够研究抗肿瘤免疫反应以及免疫刺激剂在癌症治疗中的潜在作用机制。
本研究中使用的所有体内操作均经爱荷华大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准。
1. 头颈部鳞状细胞癌细胞系的制备与维持
注意:本研究将使用经HPV E6和E7与hRas及荧光素酶(mEERL)稳定转化的小鼠口咽上皮细胞系。该细胞系源自C57BL/6J小鼠品系,由美国南达科他州南达科他大学桑福德医学院外科系Paola D. Vermeer博士惠赠。
2. 肿瘤植入、药物处理与测量
注意:实验动物饲养于爱荷华大学动物护理设施中,并遵循适当的无菌操作规程进行处理。
3. 血液采集与血清分离
注意:从下颌静脉采血是一种简单有效的技术,可用于从清醒动物或麻醉动物中采集血液。在本研究中,血液采集是在动物处于麻醉状态下进行的。
4. 收集血清的多重检测
5. 肿瘤和腹股沟淋巴结的采集及单细胞悬液的制备
6. 单细胞悬液的流式细胞术染色
本研究探讨了聚酸酐包裹的IL-1α在同源HNSCC小鼠模型中的抗肿瘤活性。重组IL-1α(rIL-1α)显著延缓了mEERL肿瘤的生长(图1A),尽管治疗小鼠出现体重下降,但在停止治疗后体重得以恢复(图1B)。与生理盐水或空白纳米颗粒(blank-NPs)相比,IL-1α-NPs未诱导出显著的抗肿瘤效应(图1A),并伴随一定程度的体重下降,但不如rIL-1α组明显(图1B)。接受rIL-1α治疗的小鼠生存时间显著长于其他治疗组(图1C)。此外,与其余治疗组相比,rIL-1α治疗小鼠血液循环中IL-1α、IL-1β和IFN-γ的水平更高(图2A-C)。这些结果提示,有必要进一步改进IL-1α-NP以提高其抗肿瘤疗效。

图1:rIL-1α对肿瘤生长、生存率和体重的影响。携带mEERL HNSCC肿瘤的雄性C57BL/6J小鼠(每治疗组n = 10-11只)在第1天和第5天通过腹腔注射接受以下治疗:rIL-1α(3.75 µg rIL-1α)、IL-1α-NP(含3.75 µg rIL-1α的0.25 mg NPs)、Blank-NP(0.25 mg NPs)以及100 µL生理盐水溶液(CON)。图中显示平均肿瘤体积的变化(A)、标准化体重(B)和生存曲线(C)。误差线表示均值的标准误。*p < 0.05,与其它治疗组相比。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:rIL-1α 对循环细胞因子的影响。在第二次给药后,从小鼠亚组(每治疗组 n = 4 只小鼠)采集血液样本,并通过多重检测法分析循环细胞因子水平。图中显示了 IL-1α(A)、IL-1β(B)和 IFN-γ(C)的循环水平。误差线表示均值的标准误。请点击此处查看该图的放大版本。
本方案将使任何研究人员能够研究免疫调节药物的抗肿瘤活性及其部分潜在作用机制 体内 肿瘤小鼠模型系统。本研究采用同源性皮下肿瘤模型,相较于原位模型具有多项优势,包括技术操作简便、易于监测肿瘤生长、动物发病率较低以及可重复性较高。皮下肿瘤模型还可通过在左右侧 flank 区域分别注射肿瘤细胞,改造为双侧肿瘤模型。在此双侧肿瘤模型中,可对其中一侧肿瘤进行瘤内放射治疗或药物干预,并监测远端效应(abscopal response)。尽管头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)的原位小鼠模型在临床相关性方面更优,但其建模技术难度较高,肿瘤生长难以监测,且口腔内肿瘤负荷常导致小鼠因无法进食和饮水而需提前实施安乐死。
细胞制备是确保所有小鼠形成对称且大小相似肿瘤的重要步骤。细胞制备不当会导致细胞活力下降,严重影响小鼠体内肿瘤的生成。建议使用低代次、处于80%–90%融合度的肿瘤细胞。过高的代次和融合度会影响细胞活力,从而影响肿瘤的形成。细胞应尽可能在制备后立即注射,因为细胞在PBS中存放超过20–30分钟会降低活力。如果需要对大量小鼠接种肿瘤,建议先将细胞保存在培养基中配制成储备液,再为较小批次的动物分批制备PBS中的可注射细胞悬液。
在制备肿瘤细胞用于注射后,该实验方案中有多个关键步骤需要严格把控。将肿瘤细胞注射至真皮下层可能产生与皮下注射不同的肿瘤生长模式和大小。因此,为确保肿瘤形成的一致性,必须特别注意针头的定位。针头的选择也至关重要。如果针头直径小于肿瘤细胞,过细的针头可能导致细胞受压,从而降低细胞活力;如果针头过大,则可能对动物造成损伤,并导致注射部位细胞外漏。即使经验丰富的研究人员使用了合适尺寸的针头,仍可能出现注射部位细胞泄漏,导致肿瘤体积过小或无法成瘤。因此,研究人员必须采用正确的肿瘤注射技术并选择最佳针头尺寸,以减少肿瘤细胞丢失,提高肿瘤植入的准确性和精确性。肿瘤体积测量应使用游标卡尺(手动或电子)仔细进行。最佳做法是始终保持肿瘤长度和宽度测量方向的一致性,以降低变异。在整个研究过程中由同一名研究人员进行肿瘤测量,有助于进一步减少测量差异。
正如预期,接受rIL-1α的小鼠在治疗期间出现体重下降,这一结果支持了既往的研究发现15,16。尽管体重减轻是评估毒性的简单而直接的方法,但仍可采用其他毒理学终点指标。血液细胞计数(白细胞、红细胞和血小板计数)以及肝酶水平(天冬氨酸转氨酶、丙氨酸氨基转移酶和碱性磷酸酶)的检测可为药物毒性提供有价值的信息。此外,还可处死一部分小鼠,并对其器官(肝脏、肾脏、胰腺、肺等)进行组织病理学分析。全身性炎症常被用作毒性的指标。本研究中,通过使用18 G针头进行小鼠下颌静脉穿刺,检测了药物处理后小鼠循环中多种促炎细胞因子的水平。小鼠下颌静脉穿刺需要经过多次操作练习才能掌握。若穿刺过深,可能导致耳部出血及内部组织损伤;而若针头刺入不足,则可能采集到的血量不足。除针头外,也可使用一次性采血针。市面上有多种不同长度的采血针可供选择。研究人员应选用合适尺寸的采血针,以确保获得最佳的采血效果并实现对动物的人道对待。本实验展示了三种细胞因子的检测结果(图2A-C)。接受rIL-1α处理的小鼠体内循环促炎细胞因子(包括IL-1α、IL-1β和IFN-γ)的升高,可能与该治疗组观察到的急性体重减轻有关(图1B)。
最后,本文描述了一种分离和制备小鼠肿瘤及淋巴结单细胞悬液的方案。该方法适用于希望检测药物处理对免疫细胞活化和募集影响的研究人员。在肿瘤解剖过程中,应尽可能去除脂肪组织、皮肤、毛发及其他杂质。通常,肿瘤体积应大于30 mm3,以获得足够数量的细胞用于流式细胞术分析。然而,若肿瘤过大,则可能难以制备单细胞悬液。此时应先将大块肿瘤切割成小片,再放入解离管中。整个操作过程应迅速完成,以获得最佳的活细胞得率。此外,较大的肿瘤会增加在肿瘤同侧寻找腹股沟淋巴结的难度。在此情况下,可从对侧获取腹股沟淋巴结。获得单细胞悬液后,可使用不同抗体进行染色,并通过多色流式细胞术进行分析。
总体而言,这些方案为研究免疫调节药物的抗肿瘤活性及其对循环细胞因子和免疫细胞群体的相关影响提供了一种有效的方法。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分得到了美国退伍军人事务部生物医学实验室研究与发展服务局的优异奖评审资助(资助号:I01BX004829),以及通过爱荷华大学霍尔登综合癌症中心的梅济尔奖计划的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Bio-Plex 200 系统 | Bio-Rad | 该系统由爱荷华大学医疗保健流式细胞术中心提供 | |
| Bio-Plex Pro 小鼠细胞因子 23-重检测试剂盒 | Bio-Rad | M60009RDPD | |
| C57BL/6J 小鼠 | Jakson Labs | 664 | 4 至 6 周龄 |
| DMEM(杜氏改良伊格尔培养基) | Thermo Fisher Scientific | 11965092 | |
| DMEM/Hams F12(杜氏改良伊格尔培养基/营养混合物 F-12) | Thermo Fisher Scientific | 11320033 | |
| EGF | Millipore Sigma | SRP3196-500UG | |
| 胎牛血清 | Millipore Sigma | 12103C-500ML | |
| 硫酸庆大霉素溶液 | IBI Scientific | IB02030 | |
| gentleMACS 组织解离仪 | Miltenyi biotec | ||
| 手持式磁板洗板机 | Thermo Fisher Scientific | EPX-55555-000 | |
| 氢化可的松 | Millipore Sigma | H6909-10ML | |
| 胰岛素 | Millipore Sigma | I0516-5ML | |
| 氯胺酮/赛拉嗪 | 可注射麻醉剂 | ||
| MEERL 细胞系 | 稳定表达 HPV16 E6/E7、hRAS 和荧光素酶的小鼠口咽上皮细胞(mEERL 细胞) | ||
| 便携式电子天平 | Ohaus | ||
| Scienceware Digi-Max 数显游标卡尺 | Millipore Sigma | Z503576-1EA | |
| 无菌酒精擦拭垫(70% 异丙醇) | Cardinal | COV5110.PMP | |
| 人转铁蛋白 | Millipore Sigma | T8158-100MG | |
| 三碘甲腺原氨酸 | Millipore Sigma | T5516-1MG |