本实验方案描述了一种用于评估机械和生化信号对患者来源的胶质母细胞瘤细胞在三维基质模拟培养中化疗反应影响的实验平台,该平台采用定制的紫外光照装置,可实现具有可调机械特性的水凝胶的高通量光交联。
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本实验方案描述了一种用于评估机械和生化信号对患者来源的胶质母细胞瘤细胞在三维基质模拟培养中化疗反应影响的实验平台,该平台采用定制的紫外光照装置,可实现具有可调机械特性的水凝胶的高通量光交联。
细胞与基质的相互作用通过生化、力学和几何信号介导复杂的生理过程,影响病理变化及治疗反应。在药物研发早期阶段纳入基质效应,有望提高新型治疗药物的临床成功率。目前已存在基于生物材料的策略,可在三维细胞培养中模拟特定组织微环境,但将其与主要用于药物筛选的二维培养方法整合仍具挑战性。因此,本文所述方案详细介绍了在多孔板格式中构建微型化生物材料基质内三维培养的方法,以促进其与现有药物筛选流程及常规细胞活力检测的整合。由于维持培养细胞中临床相关表型的关键基质特征预期具有高度组织特异性和疾病特异性,因此需要对基质参数进行组合筛选,以确定特定应用的适宜条件。本文所述方法采用微型化培养体系,评估癌细胞对基质力学性能和配体呈递正交变化的响应。具体而言,本研究展示了利用该平台探究基质参数对患者来源的胶质母细胞瘤(GBM)细胞化疗反应的影响。
在过去十年中,研发一种新药的预期成本持续上升,目前估计超过10亿美元1。这部分支出可归因于进入临床试验阶段的药物较高的失败率。2019年,仅有约12%的候选药物最终获得美国食品药品监督管理局(US Food & Drug Administration, FDA)的批准。许多药物因出现未预料到的毒性而在I期试验中失败2,而另一些通过安全性试验的药物则可能因缺乏疗效而失败3。这种因无效而导致的淘汰率,部分原因在于药物研发过程中所使用的癌症模型在预测临床疗效方面众所周知地不可靠4。
功能差异 体外 和 体内 模型的局限性可能源于将肿瘤细胞从其天然微环境中剥离,包括非肿瘤细胞和物理性细胞外基质(ECM)5,6通常,研究团队会使用市售的培养基质,例如Matrigel(一种源自小鼠肉瘤的蛋白质性基底膜基质),为培养的肿瘤细胞提供三维基质微环境。与二维培养相比,膜基质中的三维培养显著提高了临床相关性 体外 结果7,8然而,来源于脱细胞组织(包括膜基质)的培养生物材料通常表现出批次间的变异性,可能影响实验的可重复性9此外,来源于与所研究组织不同组织起源的肿瘤的基质可能无法提供适当的生理信号10最后,具有高度瘤内异质性的癌症,其微环境特征在亚微米尺度上存在差异,而膜基质无法调节以重现这些特征。11.
胶质母细胞瘤(GBM)是一种致死率极高的脑肿瘤,中位生存期约为15个月,其治疗手段的开发尤为困难12,13。目前GBM的标准治疗方案包括原发肿瘤切除,随后进行放疗,再使用替莫唑胺(TMZ)进行化疗14。然而,超过一半的临床GBM肿瘤通过多种机制表现出治疗耐药性15,16,17。预测个体患者治疗方案的有效性极为困难。用于预测个体疗效的标准临床前模型通常将患者来源的肿瘤细胞原位移植到免疫缺陷小鼠体内。尽管患者来源的异种移植模型能够再现临床GBM肿瘤的许多特征,且在临床前研究中具有重要价值18,但其本身成本高昂、通量低、耗时长,并涉及伦理问题19。患者来源细胞的培养,无论是生长在二维塑料表面还是以类球体形式存在,大多可避免上述问题。尽管患者来源的细胞能够保留 遗传异常,但其在二维培养或悬浮类球体中的生长模式在很大程度上并不能很好地模拟患者来源的啮齿类动物异种移植模型及原始患者肿瘤20。此前,我们及其他研究者已证明,在模拟脑组织力学和生化特性的三维细胞外基质(ECM)中培养的GBM细胞能够维持药物耐药表型10,21,22,23。
透明质酸(HA)是一种在脑细胞外基质(ECM)中大量存在的多糖,在胶质母细胞瘤(GBM)肿瘤中也呈过表达,其与CD44受体之间的相互作用可调节肿瘤细胞在体外获得耐药性的能力in vitro21,24,25,26,27。 例如,在柔软的三维培养体系中加入HA可增强来源于患者的GBM细胞获得治疗耐药性的能力。这种机械响应性依赖于HA与GBM细胞表面CD44受体的结合21。此外,整合素与含有RGD序列的肽段结合(该肽段被引入三维培养基质中),会以基质刚度依赖的方式增强CD44介导的化疗耐药性21。除HA外,多种细胞外基质蛋白的表达在正常脑组织与GBM肿瘤之间存在差异,其中许多蛋白含有RGD区域28。例如,一项研究报道,在GBM肿瘤中有28种不同的ECM蛋白表达上调29。在这种复杂的肿瘤基质微环境中,癌细胞整合机械信号与生化信号,从而产生特定的耐药表型,而该表型依赖于杨氏模量或整合素结合肽密度的微小差异(例如,不足一个数量级的变化)28,29,30。
本实验方案旨在表征肿瘤细胞如何响应基质信号的独特组合,并识别促进治疗耐药性的复杂且具有患者特异性的基质微环境(图1A)。通过一种光化学方法制备微型化且精确调控的三维培养基质,可实现大范围正交变量空间的构建。为提高自动化程度与可重复性,本研究集成了一套由微控制器驱动的定制化LED阵列,用于在384孔板体系中对水凝胶进行光交联。通过在孔内调节光照强度,改变所形成水凝胶的微机械性能,并利用原子力显微镜(AFM)进行评估。尽管本文未重点介绍照明阵列本身的构建过程,但仍提供了电路图(图1B)和材料清单(材料表),以辅助设备的复制与重现。
本报告展示了在独特的三维微环境中快速生成胶质母细胞瘤(GBM)细胞阵列的方法,其中杨氏模量(跨越一个数量级的四个水平)和整合素结合肽含量(来源于四种不同的细胞外基质蛋白)被正交调控。该方法进一步用于研究水凝胶力学性能以及细胞外基质特异性整合素结合对患者来源的GBM细胞在获得对替莫唑胺(TMZ)化疗耐药过程中存活和增殖能力的相对影响。
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患者来源的胶质母细胞瘤细胞系(GS122 和 GS304)由我们的合作者 David Nathanson 教授提供,这些细胞系是在获得加州大学洛杉矶分校机构审查委员会批准的方案(IRB# 10-000655)下建立的。所提供的细胞已去标识化,因此无法将细胞系与特定患者个体关联。
1. 水凝胶溶液的制备
2. 水凝胶的光照与光交联 通过 一个LED阵列
警告:佩戴防紫外线护目镜,并用吸收紫外线的材料覆盖照明区域。
注意:本方案中描述的LED阵列由六组串联的八个LED组成,如所提供的电路图所示(图1A)。每组LED可独立供电,从而可在每次运行中实现最多六种不同的辐照度。补充文件1 包含与以下操作步骤相对应的截图,以提供进一步指导。
3. 原子力显微镜(AFM)测量
公式 132
公式 2324. 三维基质包埋培养物的建立与药物处理
5. CCK8 增殖实验
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原子力显微镜(AFM)测量结果证实,在使用定制的、由Arduino控制的LED阵列进行光交联时,可通过调节紫外光辐照强度(mW/cm2)精确调控水凝胶的力学性能(图2A)。本实验方案所用水凝胶的配方见表2。所提供的模板上LED的间距与384孔板每隔一个孔的间距相匹配,从而可在孔板内形成凝胶(图2B)。对单个水凝胶表面微米级区域进行AFM检测表明,平均杨氏模量较软的水凝胶,其模量变化范围也比较硬的水凝胶更小(图2C-E)。
应针对每种细胞类型通过实验确定可使细胞存活率最大化的接种密度。本研究显示,将GS122细胞以2,500,000个细胞/mL的密度接种,在培养7天后其存活率显著高于以500,000个细胞/mL密度接种的细胞(图3A
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本研究介绍了一种在基于透明质酸(HA)的水凝胶中生成三维微型化细胞培养体系的方法,同时可调控基质刚度以及可用于整合素结合的多肽种类。该技术能够以更高的通量系统性地研究基质参数对细胞表型的影响(例如,癌细胞在化疗药物暴露下的存活能力)。以往的方法(包括本文所述方法)通常通过改变终产物中总聚合物的百分比来调节水凝胶的刚度,其中较硬的水凝胶具有更高的聚合物含量21,31。然而,这种方法需要为每种目标刚度单独配制独特的水凝胶配方,本质上降低了实验通量。本文通过在交联过程中调节紫外光辐照强度来调控水凝胶刚度,从而能够从单一前体溶液获得多种不同刚度的水凝胶。未来的研究者若无法构建本文所述的定制化光照装置,可轻松替换为市售的紫外点固化设备,并在对多孔板不同区域进行固化时调整光照条件。使用市售点固化设备的缺点是通量低于定制化光照装置。当前方法的一个局限性在于,仍需为每种多肽条件单独配制溶液。此前已有其他研究组采用类似方法制备含刚度梯度的水凝胶37,
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者特别感谢Carolyn Kim、Amelia Lao、Ryan Stoutamore和Itay Solomon在光凝胶方案早期版本开发中的贡献。GS122和GS304细胞系由David Nathanson慷慨提供。所有插图均使用BioRender.com制作。加州大学洛杉矶分校(UCLA)核心设施、分子筛选共享资源平台以及纳米与皮米表征实验室对本研究工作起到了关键作用。陈家俊(Chen Chia-Chun)得到了加州大学洛杉矶分校Eli和Edythe Broad再生医学与干细胞研究中心培训项目的支持。Grigor Varuzhanyan得到了美国国立卫生研究院肿瘤细胞生物学培训项目基金(T32 CA 009056)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.1 kOhm 电阻器,6 W | Digikey | 35601k1ft | |
| 1.7 mL 微量离心管 | Genesse Scientific | 21-108 | |
| 15 mL 圆锥形离心管 | Fisher Scientific | 14-959-70C | |
| 365 nm LED | Digikey | ltpl-c034uvh365 | |
| 384 孔板 | Bio Greiner One | 781090 | |
| 40 µm 细胞筛 | MTC bio | C4040 | |
| 四臂硫醇封端聚乙二醇(20 kDa) | Laysan Bio | 4arm-PEG-SH-20K-1g | |
| 6 个 NPN 双极结型晶体管(BJT) | Digikey | 2n5550ta | |
| 80 Ohm 电阻器,0.125 W | Digikey | erjj-6enf80r6v | |
| 八臂降冰片烯封端聚乙二醇(20 kDa) | Jenkem Technology | A7025-1 | |
| Accutase | Innovative Cell Technologies | AT104500 | 细胞解离 试剂 |
| AFM 探针 | Novascan | 标称弹簧常数 0.01 N/m,2.5 µm SiO2 颗粒 | |
| Arduino IDE | Arduino | 1.8.19 | |
| Arduino Nano | Makerfire | Mini Nano V3.0 ATmega328P 微控制器板 | |
| bFGF | Peprotech | 100-18B | 20 ng/mL |
| CCK8 | Abcam | ab228554 | |
| 离心机 | Thermoscientific | sorvall legend xtr | |
| CP100ST | Gilson | F148415 | 正置换移液器吸头 |
| Cubis 半微量天平 | Sartorius | MSA225S100DI | |
| DMEM - F12 (50-50) | Life Technologies | 11330057 | 1x |
| DMSO | Fisher Scientific | BP231-100 | |
| 无钙无镁 DPBS | Genesse Scientific | 25-508 | |
| EGF | Peprotech | AF100-15 | 50 ng/mL |
| 无水乙醇 | Fisher Scientific | A405P | 加入去离子水稀释至 70% |
| Fisherbrand B 级棕色螺口玻璃瓶 | Fisher Scientific | 03-339-23C | |
| Fisherbrand 称量纸 | Fisher Scientific | 09-898-12B | |
| G21 补充剂 | Gemini Bio | 400-160 | 50x |
| Hanks 平衡盐溶液 | Thermo Fisher Scientific | 14175095 | |
| HCl,ACS 级,12 M | Sigma Aldrich | S25838A | 加入去离子水稀释至 1 M |
| 来自猪肠黏膜的肝素钠盐 | Sigma Aldrich | H3149-100Ku | 25 µg/mL |
| HEPES | Sigma Aldrich | H7006-100G | |
| 热风枪 | Wagner | HT1000 | |
| 整合素结合唾液酸蛋白(IBSP)肽 | Genscript | Custom Order | GCGYGGGGNGEPRGDTYRAY |
| 光引发剂锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰二磷(LAP),>95% | Sigma Aldrich | 900889-1G | |
| 磁力搅拌器 | Thermo Scientific | SP194715 | |
| 微量离心机 | Thermo Scientific | Sorvall legend micro 21R | |
| Microman E 单通道移液器 | Gilson | FD10004 | 正置换移液器 |
| 移液器吸头 | Various Manufacturs | 多种规格 | |
| mLine 移液器 | Sartorious | ||
| N-乙酰半胱氨酸 | Sigma Aldrich | A7250-10G | |
| Nanowizard 4 | Bruker | 原子力显微镜(AFM) | |
| NaOH | Fisher Scientific | ss255-1 | 加入去离子水稀释至 1 M |
| Normoicin | Invivogen | ant-nr-1 | 500x |
| 骨桥蛋白肽 | Genscript | Custom Order | GCGYGTVDVPDGRGDSLAYG |
| 手动移液控制器 | Drummond | 4000102 | |
| 普通显微镜载玻片 | Globe Scientific | 1301 | |
| Press-To-Seal 硅胶隔离器,直径 12-4.5 mm × 深度 2 mm | Grace Bio Labs | 664201-A | 裁剪后可从单张膜上制备 8 个独立模具 |
| Processing | Processing | 3.5.4 | |
| Repeater M4 | Eppendorf | 4982000322 | |
| 重复移液器吸头 | Sartorious | 30089430 | 1 mL 规格 |
| RGD 肽 | Genscript | GCGYGRGDSPG | |
| 透明胶带 | |||
| 移液管 | Genesse Scientific | 12-102,12-104 | 5,10 mL 移液管 |
| 焊锡膏 | Digikey | 315-NC191LT15T5-ND | |
| 焊锡丝 | |||
| 直头解剖镊 | VWR Scientific | 82027-408 | |
| Synergy H1 微孔板读板仪 | Biotek | ||
| T-75 细胞培养处理烧瓶 | Genesee Scientific | 25-209 | |
| 替莫唑胺 | Sigma Aldrich | T2577 | 通常使用浓度为 10 µM 至 100 µM |
| 腱生蛋白-C 肽 | Genscript | GCGYGRSTDLPGLKAATHYTITIR GV | |
| 巯基化透明质酸(700 kDa),修饰度 6-8% | Lifecore Biomedical | HA700K5 | |
| VWR 旋涡搅拌子,微型 | VWR | 58948-375 |
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