我们提出了一种利用微流控平台在三维(3D)环境中模拟肿瘤-免疫相互作用的实验方案。实验结果表明,自然杀伤(NK)细胞在机械压缩条件下仍能保持其抗肿瘤活性。
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我们提出了一种利用微流控平台在三维(3D)环境中模拟肿瘤-免疫相互作用的实验方案。实验结果表明,自然杀伤(NK)细胞在机械压缩条件下仍能保持其抗肿瘤活性。
在基于细胞的免疫治疗中,机械力显著影响免疫细胞杀伤肿瘤细胞的能力。为了杀伤肿瘤细胞,免疫细胞必须对靶细胞施加作用力,并形成免疫突触,从而递送包括颗粒酶B在内的细胞毒性分子。尽管机械信号的重要性已广为人知,但如何利用这些机械信号来增强免疫介导的杀伤作用仍不清楚。这一知识空白在一定程度上源于缺乏能够在生理上接近真实的环境中,为细胞培养提供精确控制的机械应力的工具。本文中,我们描述了一种微流控压缩装置,该装置可在细胞外基质(ECM)中对肿瘤类球体施加静态或动态压缩,同时通过光学显微镜实现对肿瘤-免疫相互作用的实时成像。
该微流控平台包含12个腔室(6个对照腔室和6个功能腔室)。每个腔室均设有位于压力控制单元正下方的细胞培养室。嵌入细胞外基质(ECM)中的类球体被放置在细胞培养室内。利用该平台,我们在定义的机械压缩条件下研究了自然杀伤(NK)细胞对乳腺肿瘤类球体(MCF-7)的杀伤效率。结果显示,在1.5 mg/mL胶原蛋白环境中,无论是否存在机械压缩,NK细胞仍然是诱导肿瘤类球体死亡的主要驱动因素。 因此表明,NK细胞能够在压缩应力下维持其抗肿瘤活性。这些发现证明了该平台在研究机械力在肿瘤-免疫相互作用中作用的实用性。目前正在进行的研究旨在鉴定使免疫细胞适应压缩应力的分子机制。这些研究获得的见解可能揭示一种有前景的治疗途径。
基于细胞的癌症免疫疗法是一种利用免疫细胞靶向癌细胞的治疗策略1。该策略在血液系统肿瘤的治疗中已显示出显著成效2,3,4。然而,这种在血液系统肿瘤中取得的成功尚未完全转化为实体瘤治疗的成果5,6,7。造成这一局限性的主要原因之一是实体瘤所特有的免疫抑制性肿瘤微环境(TME)。
肿瘤微环境(TME)具有独特的力学信号,可调控细胞行为。免疫细胞有效杀伤肿瘤细胞需要其对靶细胞施加力学力,并形成免疫突触,通过该突触递送细胞毒性分子8。因此,理解力学力如何影响免疫细胞功能,可能揭示新的治疗策略,以提高基于细胞的免疫疗法对实体瘤的疗效。
实体肿瘤微环境(TME)的一个关键力学特征是其对生长中肿瘤施加的压缩应力9,10。迄今为止,大多数关于压缩的研究主要集中在压缩对肿瘤细胞行为的影响10,11。直到最近,研究关注才开始转向理解压缩如何影响TME中的免疫细胞12。因此,压缩应力影响自然杀伤(NK)细胞迁移、免疫突触形成及细胞毒活性的机制仍远未被充分阐明,也缺乏足够的量化研究。这一空白严重限制了我们对如何利用TME内的力学信号来增强对实体瘤的免疫靶向治疗的理解。
解决这一问题的主要障碍在于缺乏能够在生理相关的三维微环境中施加可控且可量化的压缩力,同时实现对肿瘤-免疫相互作用进行实时成像的实验平台。早期研究压缩应力的实验方法包括将类球体嵌入琼脂糖凝胶中13。尽管该方法能有效模拟物理限制,但消除了天然的细胞外基质(ECM)与细胞之间的相互作用。Dolega 等人采用渗透压诱导压缩应力,然而类球体悬浮于培养基中,因此仍缺乏ECM相互作用9。Pandey 等人则利用Transwell插入物和重物对嵌入胶原中的类球体施加压缩,该方法保留了ECM-细胞相互作用,但限制了对免疫细胞迁移能力和细胞毒性活性进行定量所需的高分辨率成像14。这些局限性共同凸显了开发一种能够实现在肿瘤微环境(TME)中对细胞形态响应压缩力的过程进行实时成像的实验平台的迫切需求。
本文介绍了一种微流控压缩装置的实验方案15,该装置可在施加可控压缩应力的同时,维持生理相关的细胞外基质-细胞相互作用,并支持对免疫-肿瘤动态过程进行高分辨率的活细胞成像。本方案包括装置组件的制备(第1节)、装置的组装(第2节)以及肿瘤-免疫相互作用的成像(第3节)。我们以自然杀伤(NK)细胞杀伤绿色荧光蛋白(GFP)标记的肿瘤类球体的实验为例,展示了该工作流程。除本应用外,该平台还可便捷地用于研究机械力对多种细胞类型及三维微环境中细胞间相互作用的影响。
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1. 装置组件的准备
2. 组装装置
3. 肿瘤-免疫相互作用的成像
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在以下实验中,采用一种微流控压缩装置15来模拟生理相关三维微环境中肿瘤与免疫系统的相互作用,同时可对肿瘤类球体施加静态和动态压缩(图1)。装置的各个组件(图1A1)及其组装顺序(图1A2)如图1A所示。金属框架作为装置的基底,细胞培养腔层(L1)置于框架内部。压力控制单元由L2和L3层经等离子体键合而成,放置于L1层上方,随后安装流体分配层(图1A2)。L1层与压力控制单元共同构成功能性微流控装置,并通过螺钉将金属框架与流体分配层夹紧固定。流体分配层包含用于连接管路以向装置供压的进样口,以及支持长期活细胞成像实验的培养基储液池。
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本方法描述了使用微流控压缩装置研究压缩应力对肿瘤-免疫相互作用的影响。该系统能够对嵌入三维胶原基质中的肿瘤类球体施加可控的机械压缩。构成细胞培养腔底部(L1)的玻璃基板可实现高分辨率的活细胞成像,使该平台非常适合用于量化免疫细胞运动性、浸润行为及细胞毒活性的研究。重要的是,该系统在精确控制机械环境的同时,保留了细胞-细胞和细胞-基质间的相互作用。相比之下,现有的许多研究压缩应力的实验方法往往需要在细胞外基质介导的细胞相互作用9,13与高分辨率成像14之间进行权衡。
在本研究中,自然杀伤细胞(NK细胞)和MCF-7乳腺肿瘤球体被用作模型系统。然而,该微流控压缩装置并不局限于这些细胞类型。迄今为止,该平台已成功应用于多种乳腺细胞模型,包括MDA-MB-231乳腺肿瘤球体和MCF-10A乳腺球体15,17。该...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作得到了美国国家癌症研究所(资助号 R01CA221346)、康奈尔大学工程学院授予 FM 的兰斯·R·柯林斯奖学金以及康奈尔大学教务长研究韧性基金对 FM 的资助。部分工作在康奈尔大学纳米尺度设施中心完成,该中心是国家纳米技术协调基础设施(NNCI)的成员,由美国国家科学基金会资助(资助号 NNCI-2025233)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 N NaOH | Sigma-Aldrich | 79724 | 7 µL |
| 10× M199 培养基 | Sigma-Aldrich | M0650 | 200 µL |
| 2-巯基乙醇 | ThermoFisher | 313500100 | |
| 空气压缩机 | Elveflow | Jun-Air Model 3 Compressor | |
| 自动 X-Y 显微镜载物台 | Applied Scientific Instrumentation | MS-2000 | |
| CCD 相机 | Hamamatsu Photonics | ORCA-R2 | |
| 胎牛血清(FBS) | GeminiBio | S11150 | |
| 流体输送管路 | Elveflow | PTFE 管路备用卷 | 外径 1/16 英寸 |
| 荧光光源 | Excelitas Technologies | X-Cite 系列 120 PC 装置 | |
| 叶酸 | Sigma | F7876 | |
| 戊二醛 | EM Sciences | 16019 | 0.10% |
| Harrick 等离子清洗仪 | Harrick Plasma | PDC-001-HP | 高功率设置(45 W) |
| 马血清(HS) | ThermoFisher | 16050-122 | |
| 倒置落射荧光显微镜 | Olympus | IX81 | 20 倍物镜(NA = 0.25),使用 Olympus CellSens 软件操作 |
| 掩膜 | Artus | 10 片铝制垫片材料 | 厚度为 0.0125 英寸(0.75 mm) |
| MCF-7/GFP(嘌呤霉素)稳定细胞系 | GenTarget Inc | SC050-G | |
| 金属框架 | 定制 | 定制 | |
| 微流控储液池 | Elveflow | 50 mL 微流控储液池 | |
| 显微镜 | Olympus | CKX41 | 4 倍物镜 (NA = 0.1) |
| 肌醇 | Sigma | I7508 | |
| NK-92 MI | ATCC | CRL-2407 | |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15140122 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | ThermoFisher | 10010072 | |
| 气动管路 | Elveflow | PUR 聚醚透明进气管 | 外径 4 mm |
| 聚乙烯亚胺(PEI) | Sigma-Aldrich | P3143 | 1% |
| 压力控制器 | Elveflow | OB1 NK4 | 使用 Elveflow Smart Interface 软件操作 |
| 大鼠尾部 I 型胶原蛋白 | Corning | 354249 | 31.3 µL 的 9.6 mg/mL 胶原原液 |
| 螺丝 | Phillips | M2.5 圆头 | 12 颗螺丝 |
| 载物台培养箱 | Precision Plastic | 定制 | |
| 注射器 | Becton Dickinson | 303134 | 配 Elveflow 的公鲁尔锁接头转 3/32 英寸外径卡套 |
| α-MEM 培养基 | ThermoFisher | 12561056 |
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