本文介绍一种用于鉴定可调节ADCC机制化合物的方法,ADCC是抗肿瘤抗体杀伤癌细胞的重要机制。通过该方法,在存在曲妥珠单抗(Trastuzumab)的条件下,检测自然杀伤(NK)细胞对乳腺癌细胞球状体的细胞毒性作用。图像分析可识别球状体中存活和死亡的效应细胞及靶细胞。
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本文介绍一种用于鉴定可调节ADCC机制化合物的方法,ADCC是抗肿瘤抗体杀伤癌细胞的重要机制。通过该方法,在存在曲妥珠单抗(Trastuzumab)的条件下,检测自然杀伤(NK)细胞对乳腺癌细胞球状体的细胞毒性作用。图像分析可识别球状体中存活和死亡的效应细胞及靶细胞。
基于单克隆抗体的免疫疗法靶向肿瘤抗原现已成为癌症治疗的主要手段。抗体的作用机制之一是抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用(ADCC),即抗体结合癌细胞后,招募免疫系统的细胞组分(如自然杀伤细胞,NK细胞)以杀伤肿瘤细胞。通过鉴定能够增强癌细胞敏感性或提高免疫细胞活性的佐剂化合物,有望提升此类疗法的疗效。此外,癌症患者因既往疾病或癌症相关症状而接受合并用药时,可能产生尚未被发现的药物相互作用,从而影响抗体治疗的效果;因此,需排除此类不良药物相互作用。基于上述目标,我们建立了癌症ADCC模型,并在此描述一种用于筛选ADCC调节药物的简便实验方案。由于三维模型(如肿瘤细胞球状体)在预测方面优于二维培养体系 体内 通过建立表达EGFP的HER2+ JIMT-1乳腺癌细胞与NK92.CD16细胞系的肿瘤球共培养模型,并使用临床批准用于HER2阳性乳腺癌治疗的单克隆抗体曲妥珠单抗(Trastuzumab)进行诱导,以评估肿瘤对抗癌治疗的响应。JIMT-1细胞在抗粘附U型底96孔板中培养形成肿瘤球。第3天加入NK细胞和曲妥珠单抗。随后用Annexin V-Alexa 647染色检测细胞凋亡,并利用自动化显微镜定量分析肿瘤球外围区域的凋亡细胞死亡。本实验方法可用于筛选调节抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)的分子,例如证明了美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于转移性癌症治疗的受体酪氨酸激酶抑制剂舒尼替尼(Sunitinib)几乎完全抑制ADCC效应。该肿瘤球生成方法及图像采集与分析流程适用于在癌细胞球模型中高通量筛选调节ADCC的化合物。
多细胞肿瘤球体(MCTS)是一种广泛应用的三维(3D)模型,由贴壁细胞因聚集倾向自发形成,是深入理解癌细胞生物学机制的重要工具。可通过多种技术,如基于液体和基于支架的三维培养方法,从多种细胞类型中生成多细胞肿瘤球体。1与单层二维模型相比,其主要优势在于能够重现 体内 肿瘤的结构组织和缺氧特性,通过模拟肿瘤细胞的生物学行为,特别是导致治疗逃逸和药物耐药性的机制2因此,由于多细胞球体(MCTS)能够提高毒性与药物敏感性的可预测性,它们被广泛用于三维癌症研究,并有望促进针对不同类型癌症的有效药物开发。3.
研究任何疾病都需要相关且便捷的模型。建立癌症免疫学研究模型具有挑战性,因为免疫系统由多种细胞类型组成,每种细胞类型又包含多个亚型以及广泛的活化状态。这些不同的免疫细胞类型与癌细胞及其他肿瘤组分相互作用,最终影响疾病的进程。传统的二维体外(2D in vitro)细胞培养方法无法充分模拟这些复杂的细胞间相互作用,因其缺乏可转化性,且无法在系统层面(例如在组织中)预测药物的作用效果4,5。此外,由于人类与小鼠免疫系统之间存在根本性差异,小鼠模型也具有严重局限性。因此,三维(3D)培养系统可填补现有模型中的空白,提供一种替代方法,从而增进我们对癌症免疫学的理解6。特别是类球体模型可用于免疫治疗的测试,主要用于评估药物筛选效率及治疗性抗体增强免疫细胞浸润、并针对类球体靶标产生抗肿瘤效应的能力7。此外,由处于不同代谢和增殖状态细胞构成的多细胞类球体(MCTS)在研究基质细胞(如淋巴细胞、巨噬细胞、成纤维细胞)与癌细胞之间的相互作用,以及开发新型抗癌策略方面的潜力已得到充分证实8。因此,迫切需要建立具有预测性和准确性的研究平台,以推动药物筛选进程,并充分考虑肿瘤微环境的病理生理特征。
乳腺癌(BC)是全球女性中最常见的癌症。这种异质性疾病的临床分类基于跨膜受体的存在情况,例如雌激素(ER)和孕激素(PR)受体(统称为激素受体,HR),以及人表皮生长因子受体2(HER2)蛋白/癌基因的过表达或扩增。根据这些受体的免疫组化表达情况,通常将乳腺癌分为四种亚型:腔面A型(HR+/HER2-)、腔面B型(HR+/HER2+)、HER2阳性型(HR-/HER2+)和三阴性乳腺癌(HR-/HER2-)。HER2阳性型约占乳腺癌病例的10-15%,其特征是HER2高表达且缺乏ER和PR表达,相较于腔面型肿瘤预后更差,需要使用针对HER2/neu蛋白的特异性药物9。
乳腺癌的发展是一个多步骤过程,早期诊断对于成功治疗该疾病至关重要10。然而,尽管近年来出现了个性化的乳腺癌治疗方案(例如内分泌治疗和抗HER2抗体治疗),乳腺癌仍然给肿瘤学家带来挑战。与手术、化疗和放疗一样,这些个性化疗法也可能产生严重不良反应,且患者可能对这些药物产生耐药性,这使得确定最佳治疗策略成为一项长期挑战11,12。因此,深入理解肿瘤与其微环境之间的相互作用至关重要,有望为开发针对不同乳腺癌亚型特异性的新型治疗方法提供新方向13。目前,正在对表达HER2的肿瘤患者广泛研究一系列新型免疫疗法,如抗体-药物偶联物、过继性T细胞疗法、疫苗以及新型靶向HER2的单克隆抗体(mAbs)14。
例如,曲妥珠单抗是 HER2+ 乳腺癌的有效治疗手段。在其作用机制中,曲妥珠单抗介导可结晶片段 γ 受体(FcγR)依赖性活动。FcγR 根据其对 Fc 片段的亲和力以及所启动的免疫应答而有所区分。自然杀伤(NK)细胞上的激活型 FcγRIIIa(CD16A)对于介导抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)至关重要,而巨噬细胞上的 FcγRIIa(CD32A)和 FcγRIIIa 被激活时,则可诱导抗体依赖性细胞介导的吞噬作用(ADCP)。15动物模型研究表明,缺乏 FcγRI(CD64)和 FcγRIII(CD16)受体的小鼠无法启动针对肿瘤特异性抗原的保护性免疫反应,揭示抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)可能是单克隆抗体曲妥珠单抗(Trastuzumab)发挥抗肿瘤作用的主要机制16.
由于自然杀伤细胞(NK细胞)依赖于结合在肿瘤细胞上的抗体通过抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用(ADCC)杀伤癌细胞,因此Fc受体的表达对于曲妥珠单抗治疗的有效性至关重要17(图1)。此外,NK细胞的功能受到激活性和抑制性受体(例如杀伤细胞免疫球蛋白样受体,KIR受体)的共同调控,从而实现有效的功能平衡18。

图1.ADCC在抗肿瘤免疫反应中的作用机制。 自然杀伤(NK)细胞上的Fcγ受体可识别已结合于癌细胞表面抗原的抗体的Fc区。该免疫突触促使NK细胞脱颗粒,释放颗粒酶和穿孔素等细胞毒性介质。这些分子可在靶细胞膜上形成孔道,并激活凋亡通路,从而诱导靶细胞发生程序性死亡(图片由Biorender.com制作)。 请点击此处查看此图的放大版本。
针对HER2+乳腺癌的免疫治疗研究正处于不断发展之中。在此背景下,应充分考虑免疫系统各个组分之间的相互作用。此外,既往已有大量研究广泛测试了包括各类传统疗法、免疫疗法或细胞疗法在内的联合治疗方案,以期发现具有协同效应的组合策略19。
既往已有多种HER2阳性乳腺癌(HER2+ BC)的3D模型被用于药物发现。例如,Balalaeva等人利用过表达HER2的SKBR-3细胞球,评估了靶向HER2的免疫毒素4D5scFv-PE40的细胞毒性20。在另一项研究中,建立了一种基于Matrigel的HER2阳性乳腺癌3D培养系统,用于检测细胞在曲妥珠单抗和内分泌药物作用下的生长反应21。这些研究凸显了HER2过表达癌细胞的肿瘤细胞球模型在模拟临床治疗反应方面的重要价值,代表了一种有效提升治疗效果的策略22。
我们课题组先前发现,舒尼替尼(Sunitinib)是一种多靶点酪氨酸激酶抑制剂,在二维培养体系中可抑制曲妥珠单抗依赖的JIMT-1 HER2+ 乳腺癌细胞的抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用(ADCC)。研究显示,舒尼替尼可诱导自噬,损害自然杀伤(NK)细胞的杀伤功能,下调HER2表达,并增强JIMT-1细胞的表面黏附能力17。
本研究建立了一种新型的三维球形抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)模型(NK.92.CD16+曲妥珠单抗+JIMT-1-EGFP 癌细胞),可用于高通量筛选应用;为验证上述发现,选用舒尼替尼作为模型化合物。首先,我们构建了表达EGFP的JIMT-1细胞17,并由这些细胞形成球状体。通过NK细胞与曲妥珠单抗共同作用诱导ADCC,并将球状体在含或不含待测化合物的条件下培养24小时(图2)。ADCC的定量基于高内涵分析系统检测凋亡癌细胞死亡(Annexin V染色)。

图 2.3D 类球体共培养系统中的抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)。 我们的实验设置基于一种 3D 类球体系统,相较于 2D 模型,该系统能更准确地模拟 in vivo 微环境。将 JIMT-1 EGFP 乳腺癌细胞接种于凹形抗细胞黏附底部,使其形成圆形细胞簇,即类球体。随后通过加入 NK92.CD16 自然杀伤细胞(效靶比 E:T = 20:1)和抗 HER2 单克隆抗体曲妥珠单抗(Trastuzumab)启动 ADCC 反应。该实验模型已被证实高效且易于应用,可用于筛选调节 ADCC 活性的待测化合物(图片由 Biorender.com 制作)。 请点击此处查看该图的放大版本。
我们证明了以这种方式获取数据可实现实时处理,并在癌症药物发现的高内涵筛选中具有统计学稳健性。重要的是,该模型可用于对更大规模的化合物进行扩展验证,并可应用于多种感兴趣的检测方法。
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1. 建立JIMT-1增强型荧光蛋白(EGFP)球状体模型
2. HCS 平板的包被
注意:为了防止 JIMT-1-EGFP 类球体附着于培养板的玻璃表面,对高内涵筛选(HCS)板进行包被至关重要(否则将无法进行高内涵分析)。
3. 类球体转移至高内涵筛选板
4. 使用测试化合物对 JIMT-1 EGFP 类球体进行预处理
5. 通过添加效应细胞诱导抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)
注意:CD16.176V.NK92 细胞(下文简称 NK 细胞)在添加了 20% FBS、1% MEM-NEAA、1% 丙酮酸钠、1% 谷氨酰胺、1% 青霉素-链霉素和 100 IU/mL IL-2 的 α-MEM 培养基中培养。
6. 类球体的Annexin V-647染色
7. 成像
注意:在将NK效应细胞加入靶细胞后24小时对培养板进行成像。成像采用高内涵分析仪和图像分析软件。
8. 高内涵分析(HCA)
注意:使用 Harmony 软件分析图像,或导出图像以使用首选的第三方软件进行分析。在分析 ADCC 效率时,检测 Annexin V 647 的荧光强度。通过 ADCC 杀死的靶细胞出现在类球体的外周 区域。因此,在该类球体的"环状区域"内测量 Annexin V 阳性细胞。为了验证该方法,采用不同参数进行了分析,以评估哪种参数最可靠且能获得最佳结果(补充图 S2)。视频中展示了一个 ADCC 孔,以逐步演示图像分析过程。
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通过转染表达EGFP的JIMT-1细胞,并由这些细胞生成球状体。选用舒尼替尼作为测试化合物,因其既往已被证明可影响ADCC的过程17。球状体允许聚集培养72小时。在第3天,向球状体中加入10 µg/mL曲妥珠单抗(或等摩尔浓度的6.6 µg/mL TR-F(ab')219)以及NK细胞(效靶比20:1),同时设置或不设置20 µM舒尼替尼预处理1小时,共作用24小时。单独培养的JIMT-1细胞以及与NK细胞(效靶比20:1)共孵育的JIMT-1细胞作为CTL对照。球状体用Annexin V 647染色1小时以检测凋亡性细胞死亡,随后使用高内涵分析仪进行成像。
如Annexin V染色所示,将NK细胞与曲妥珠单抗(Trastuzumab)共同加入JIMT-1细胞后,导致肿瘤类球体发生细胞死亡。Annexin阳性(凋亡)细胞出现在类球体的外周区域,如图3A所示。相比之下,单独加入NK细胞并未引起肿瘤细胞凋亡。为...
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尽管在过去几十年中乳腺癌(BC)的治疗取得了显著进展,患者仍经常出现药物耐药性或经历不良副作用24。与乳腺癌相关的高发病率和高死亡率迫切需要持续深入研究其潜在的分子机制,同时也需要建立可靠的筛选平台,以鉴定可用于治疗开发的新分子靶点25。这些研究策略依赖于基于细胞培养的转化实验。近年来,三维肿瘤培养系统(如球状体和肿瘤类器官)作为一种低成本、易于实施的模型逐渐兴起,相较于传统的单层细胞培养,能更真实地模拟肿瘤病理生理的关键特征。其中一项重要特征是多种肿瘤相关免疫细胞与癌细胞之间在空间上协调的相互作用。这使得三维共培养模型成为筛选作用于免疫细胞以治疗恶性肿瘤的药物调节剂的更优工具26。
在本研究中,我们建立了一种新的类球体模型,用于研究自然杀伤细胞(NK细胞)介导的、曲妥珠单抗依赖的针对JIMT-1乳腺癌细胞的抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用(ADCC),并描述了一种用于评估NK细胞杀伤癌细胞的自动化成像与分析工作流程。该方法已应用于高内涵成像...
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作者声明无利益冲突。
LV 获得了匈牙利国家研究、发展与创新办公室资助项目 GINOP-2.3.2-15-2016-00010 TUMORDNS"、GINOP-2.3.2-15-2016-00048-STAYALIVE、OTKA K132193 和 K147482 的支持。本项目还获得了匈牙利研究网络(HUN-REN)的资助。CD16.176V.NK-92 细胞由 Kerry S. Campbell 博士(费城福克斯蔡斯中心,代表加州圣地亚哥 Brink Biologics, Inc.)提供,该细胞在全球范围内受专利保护,并由 Nantkwest, Inc.(www.nantkwest.com)授权使用。作者感谢 György Vereb 和 Árpád Szöőr 在使用 NK-92 细胞系和 TR-F(ab’)2 以及技术指导方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 96孔玻璃底细胞培养超微孔板 | PerkinElmer,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 | LLC 6055302 | 用于类球体测量 |
| 96孔组织培养板 | TPP | 92096 | 用于细胞接种 |
| α- MEM 培养基 | Sigma | M8042 | 在NK培养基中 |
| 琼脂糖 | Sigma | A9539 | 用于球状体接种 |
| Annexin V-Alexa Fluo 647 偶联物 | Invitrogen-ThermoFisher Scientific | A23204 | 用于高内涵筛选的细胞凋亡检测 |
| CD16.176 V.NK-92 细胞 | Kerry S. Campbell 博士(美国宾夕法尼亚州费城福克斯蔡斯癌症中心,代表加利福尼亚州圣地亚哥 Brink Biologics 公司) | ATCC CRL-2407 | 用于细胞培养 |
| 细胞示踪蓝 | Invitrogen-Thermo Scientific,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 | C2110 | 用于自然杀伤细胞染色 |
| DMEM/F-12 培养基 | Sigma | D8437 | 在 JIMT1-EGFP 培养基中 |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma | D8418 | 用于在转移类球体前包被HCS板 |
| 胎牛血清(FBS) | Biosera | FB-1090/500 | JIMT-1-EGFP 和 NK 培养基 |
| 谷氨酰胺 | Gibco | 35,050–061 | 在NK培养基中 |
| GraphPad Prism 8.0.1 | GraphPad Software Inc.,美国加利福尼亚州圣地亚哥 | 用于统计分析 | |
| Harmony 软件 | PerkinElmer,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 | 用于HCA | |
| IL-2 | Proleukin,诺华匈牙利ária Kft.,布达佩斯,匈牙利 | PHC0026 | 在NK培养基中 |
| 胰岛素(Humulin R) | Eli Lilly | HI0219 | JIMT-1-EGFP 培养基 |
| JIMT-1 乳腺癌细胞 | 用于细胞培养 | ||
| MEM非必需氨基酸(MEM-NEAA) | Gibco | 11,140–050 | 在NK培养基中 |
| Na-丙酮酸 | Lonza | BE13-115E | 在NK培养基中 |
| Opera Phenix 高内涵分析设备 | PerkinElmer,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 | HH14001000 | 用于HCA |
| PBS(磷酸盐缓冲盐水) | Lonza | BE17-517Q | 用于洗涤细胞 |
| 青霉素-链霉素 | Biosera | LM-A4118 | JIMT-1-EGFP 和 NK 培养基 |
| pLP-1、pLP-2、pLP-VSV-G、pWOXEGFP | Invitrogen,(Prof. József T<图片替代文本="公式 1" 源文本:src="/files/ftp_upload/65922/65922eq01v2.jpg" 样式="margin: auto;"/>zsér,德布勒森大学 | 用于JIMT-1-EGFP细胞系 | |
| Pluronic-F127 | Sigma | P2443 | 用于在转移类球体前包被HCS板 |
| 苹果酸舒尼替尼 | SigmaAldrich | PZ0012 | 用于处理 |
| 曲妥珠单抗抗体(人源化抗HER2单克隆抗体) | Herzuma®,匈牙利布达佩斯 EGIS 制药公司 | NDC-63459-303-43 | 用于处理 |
| 曲妥珠单抗-F(ab')2 | Gy教授惠赠örgy Vereb 和 Árpád Szö<图片替代文本"公式 1" src="/files/ftp_upload/65922/65922eq01v2.jpg" 样式="margin: auto;"/>r | 德布勒森大学生物物理学与细胞生物学系 | 用于处理 |
| 0.4% 台盼蓝溶液 | Sigma | T8154 | 用于细胞计数 |
| PBS中的1X胰蛋白酶-EDTA | Biosera | LM-T1706 | 用于细胞脱离 |
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