Wir entwickelten eine neuartige Methode zur Erzeugung von 3D-Sphäroiden mit einem in vitro heterotypischen Zellkokultursystem, das die in vivo Tumormikroumgebung imitiert. Fibroblasten werden von Maushaut-Fibroblasten abgeleitet. Hautfibroblasten wurden wie oben beschrieben erzeugt und als Zellen von SMA+/Vimentin+/FSP-1+ gekennzeichnet. Menschliche metastasierende Melanomzellen (C8161) wurden in W489 medium kultiviert, wiebeschrieben 32. Um Fibroblasten von Tumorzellen zu visualisieren und zu unterscheiden, wurden Fibroblasten und Melanomzellen mit GFP/lentivirus und DsRed/lentivirus bzw.34,36, vor der Zellkokultur prätransduziert.
Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für multizelluläre 3D-Sphäroide, die durch die Kokultivierung von Melanomzellen und Fibroblasten gebildet werden. Melanomzellen, die in Abwesenheit von Fibroblasten kultiviert wurden, bildeten keine typischen 3D-Sphäroide, obwohl einige Melanomzellen 2D-Cluster/Aggregate mit der erweiterten Kultur bilden. Die durchschnittliche Größe der Sphäroide betrug an Tag 5 bis 7 einen Durchmesser von ca. 170–360 m (Mittelwert = 275, SD = 37). Mit Hilfe von Zeitraffer-Bildgebung beobachteten wir, dass Fibroblasten und Tumorzellen in Derkokultur interagierten und begannen, 3D-Sphäroide bei etwa 36 h Cokultur zu bilden, wie in Video 1gezeigt. Die Zeitraffer-Bildgebung zeichnete den dynamischen Prozess der Zell-Zell-Interaktion und die Anfangsphase der Sphäroidbildung bei 4–52 h Cokultur auf. Der Höhepunkt der 3D-Sphäroidbildung trat um den Tag 5 bis 7 auf. Die gebildeten 3D-Sphäroide setzten sich aus Fibroblasten und Melanomzellen zusammen, wobei die Mehrheit (ca. 80%) waren Tumorzellen. Video 2 zeigt den dynamischen Prozess einzelner kultivierter Melanomzellen (DsRed+/C8161) bei der Bildung von Zellclustern/-aggregaten ab 4–52 h in einer Einzelkultur. Die Bildung von 2D-Clustern/Aggregaten erreichte ihren Höhepunkt um den Tag 7–10. Video 3 und Video 4 zeigen die Strukturen eines 3D-Sphäroids und eines 2D-Tumorzellclusters, die durch konfokale Mikroskopie visualisiert werden. Das 3D-Sphäroid und die 2D-Tumorzellcluster wurden am 7. Tag der Zellkokultur konfokale Mikroskopie untersucht. Video 5 zeigt, dass die 3D-Sphäroide im Kulturmedium und mobil aufgehängt wurden, während Video 6 zeigt, dass der 2D-Tumorzellcluster an der Kulturplatte befestigt und unbeweglich war. Die Aufhängung im Medium ist ein Merkmal von 3D-Sphäroiden, das sie von 2D-Clustern unterscheidet. Wenn das Medium in der Zellkulturschale oder brunnen durch das Fallenlassen oder sanfte Pipettieren des Kulturmediums gestört wird, bewegen sich die suspendierten 3D-Sphäroide, während 2D-Zellcluster unbeweglich sind. Nur wenige einzelne abgestorbene Zellen sind mobil.
Abbildung 2A zeigt ein Beispiel für dieses 3D-Modell, das als einzigartige Plattform dient, um Tumor-Stroma-Wechselwirkungen zu untersuchen und aufzuklären, wie die intrazelluläre Notch1-Signalwegaktivität in CAF Krebsstamm-/Initiierungszellen und Sphäroidbildung reguliert. Zwei Paare von Fibroblasten (Fb) isoliert aus der Haut von Gain-Of-Function Notch1 (GOFNotch1: Fsp1.Cre+/-; ROSALSL-N1IC+/+) Mäuse im Vergleich zu ihrer Gegenkontrolle (GOFstrg : FSP1. Cre-/-; ROSALSL-N1IC+/+) Mäuse und Loss-Of-Function Notch1 (LOFNotch1: Fsp1.Cre+/-; Notch1LoxP/LoxP+/+) Mäuse im Vergleich zu ihrer Gegenstückkontrolle (LOFstrg : FSP1. Cre-/-; Notch1LoxP/LoxP+/+) Mäuse35bzw. . Alle Fibroblasten wurden durch GFP/lentivirus transduziert und mit C8161-Melanomzellen kokultiviert, die mit DsRed/lentivirus prätransduziert wurden. Die Zeitraffer-Bildgebung zeigt, dass Fb-GOFNotch1 Die C8161-Melanomzellen daran gehindert hat, 3D-Sphäroide im Vergleich zu Fb-GOF-Ctrl während der ersten 4-52 h Zellkokultur zu bilden. Im Gegensatz dazu förderte Fb-LOFNotch1 die Bildung von 3D-Sphäroiden durch C8161 Melanomzellen im Vergleich zu Fb-LOFCtrl. Abbildung 2B, oben, zeigt repräsentative Bilder von 3D-Sphäroiden, die am 7. Tag der Zellkokultur mit verschiedenen Fibroblasten gebildet wurden, die verschiedene Kerbwegaktivitäten durchführen. Abbildung 2B, unten, zeigt die quantitativen Daten über die durchschnittliche Größe von 3D-Sphäroiden, die am Tag 7 der Zellkokultur mit verschiedenen Fibroblasten gebildet wurden, die unterschiedliche Kerbwegaktivitäten mit sich bringen.
Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für dieses 3D-Modell, das verwendet wird, um die medikamentöse Reaktion von Krebsstamm-/initiierenden Zellen zu testen. Krebsstamm/anitiierende Zellen sind nachweislich für Arzneimittelresistenzund krebsrezidivierende Zellen verantwortlich. Daher kann die Bewertung der Arzneimittelreaktion mit diesem 3D-Modell die klinische Wirksamkeit eines potenziellen Medikaments für die Krebsbehandlung besser aufzeigen. Die C8161 Melanomzellen verlassen sich auf aktive MAPK-Signalisierung für Zellwachstum und Invasion. Sie drücken auch hohe Konzentrationen von CDK4/Kit aus, tragen aber keine BRAF-Mutation. Um die medikamentöse Reaktion von Krebsstammzellen/-initiierenden Zellen auf den MAPK-Hemmer mit diesem 3D-Modell zu testen, haben wir C8161-Melanomzellen und Fibroblasten in 24 Brunnenplatten kokultiviert. PD0325901 (siehe Materialtabelle), ein MAPK-Inhibitor, wurde in einer seriellen Verdünnung in einem Bereich von Konzentrationen von 1 nM, 2,5 nM, 5 nM, 10 nM und 25 nM hergestellt. Der PD0325901 wurde den Zellkokulturen bei der Plattierung von Zellmischungen zugesetzt. Unbehandelte Kokulturzellen wurden als Kontrolle verwendet. Wir haben die sphäroidbildende Fähigkeit der Zellkokulturen unter verschiedenen Wirkstoffkonzentrationen bewertet und mit der unbehandelten Kontrolle verglichen. Abbildung 3A zeigt repräsentative Bilder von 3D-Sphäroiden, die am 5. Tag der Zellkokultur unter verschiedenen Wirkstoffkonzentrationen gebildet wurden. Abbildung 3B sind die quantitativen Daten der durchschnittlichen Größe pro Sphäroid und der Anzahl der 3D-Sphäroide, die pro Niederleistungsfeld (LPF x 4) am Tag 5 der Zellkokultur unter verschiedenen Wirkstoffkonzentrationen gebildet wurden.

Abbildung 1: Bildung von 3D-Sphäroiden und 2D-Clustern. (A) Repräsentatives Bild von 3D-Sphäroiden, die durch Kokultur menschlicher C8161-Melanomzellen und Maushaut-Fibroblasten gebildet werden. Die 3D-Sphäroide wurden am 7. Tag der Kokultur von Melanomzellen und Fibroblasten fotografiert. Die durchschnittliche Größe der Sphäroide betrug am Tag 5 bis 7 einen Durchmesser von 170–360 m (Mittelwert = 275, SD = 37). Die durchschnittliche Anzahl der Sphäroide betrug 18–26 (20,5 x 3,6) pro Low-Power-Feld (LPF x4). (B) Repräsentatives Bild von 2D-Tumorzellclustern, die durch eine einzelne Kultur von C8161-Melanomzellen gebildet werden. Die 2D-Melanom-Zell-Cluster wurden am 7. Tag der Einzelkultur von Melanomzellen fotografiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Aufklärung der Rolle der intrazellulären Notch1-Signalwegaktivität bei CAF bei der Regulierung von Krebsstamm-/Initiierungszellen unter Verwendung des 3D-Sphäroidmodells. (A) Intrazelluläre Notch1-Signalwegaktivität in CAF bestimmte die Bildung von Sphäroiden durch Melanomzellen in der Zellkokultur. Das Zeitraffervideo zeigt, dass Fb-GOFNotch1 die Bildung von 3D-Sphäroiden durch die C8161-Melanomzellen stoppte, während Fb-LOFNotch1 die Bildung weiterer 3D-Sphäroide durch die C8161-Melanomzellen während der ersten 4–52 h Zellkokultur förderte. (B) Oben: Repräsentative Bilder von 3D-Sphäroiden, die am 7. Tag der Zellkokultur mit verschiedenen Fibroblasten gebildet wurden, die unterschiedliche Kerbwegfunktionen tragen. Unten: Die quantitativen Daten der durchschnittlichen Größe (Durchmesser [m]/Sphäroid) der 3D-Sphäroide, die am 7. Tag der Zellkokultur mit verschiedenen Fibroblasten gebildet wurden, die unterschiedliche Kerbwegaktivitäten mit sich bringen. Der T-Test des Zwei-Schwanz-Schülers wurde für statistische Analysen verwendet. Die Daten werden als Mittelwert für Standardabweichungen (SD) ausgedrückt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Bewertung der arzneimittelen Reaktion von Krebsstamm/anitiierenden Zellen unter Verwendung des 3D-Sphäroidmodells. (A) Repräsentative Bilder von 3D-Sphäroiden, die am 5. Tag der Zellkokultur unter verschiedenen Wirkstoffkonzentrationen gebildet wurden. (B) Die quantitativen Daten der durchschnittlichen Größe (Durchmesser [m]/Sphäroid) und der Anzahl der 3D-Sphäroide pro Low-Power-Feld (LPF x 4), die am Tag 5 der Zellkokultur unter verschiedenen Wirkstoffkonzentrationen gebildet wurden. Quantitative Daten werden als Mittelwert ausgedrückt, Standardabweichung (SD). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Video 1: Dynamischer Prozess der Bildung von 3D-Sphäroiden in der frühen Phase der Zellkokultur. Die Zeitraffer-Bildgebung zeigt dynamische Zell-Zell-Wechselwirkungen zwischen Fibroblasten und Tumorzellen in der Kokultur und Bildung von 3D-Sphäroiden während der ersten 4-52 h Zellkokultur. Die Zellen begannen, 3D-Sphäroide um 48 h nach dem Beginn der Kokultur zu bilden. Der Höhepunkt der 3D-Sphäroidbildung trat am Tag 5 bis 7 auf (hier nicht angezeigt). Die 3D-Sphäroide setzten sich aus Fibroblasten und Melanomzellen zusammen, wobei die Mehrheit (80 %) waren Tumorzellen. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Video 2: Dynamischer Prozess der Bildung von 2D-Clustern in der frühen Phase der Zellkokultur. Die Zeitraffer-Bildgebung zeigt den dynamischen Prozess von 2D-Clustern, die von C8161melanom-Zellen in einer Einzelkultur gebildet werden. Die Bildung von 2D-Clustern erfolgte um den Tag 7–10. Die Zeitraffer-Bildgebung zeichnet den Zeitraum von 4–52 h in der Einzelkultur von DsRed+/C8161 Melanomzellen auf. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Video 3: Architektur und Rotation eines 3D-Sphäroids, wie es durch konfokale Mikroskopie visualisiert wird. Architektur und Drehung eines 3D-Sphäroids. Grüne und rote Laser wurden verwendet, um die Sphäroide zu scannen, die am 7. Tag in der Zellkokultur gebildet wurden. Der Scanbereich wurde unter einem 10-fachen Objektiv ermittelt. Der Scan beginnt von unten bis oben im Sphäroid bei einem 1-m-Z-Schritt. Der 3D-Sphäroid-Rotationsfilm wurde mit Fidschi-Software erstellt. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Video 4: Architektur und Rotation eines 2D-Tumorzellclusters, wie er durch konfokale Mikroskopie visualisiert wird. Architektur und Rotation eines 2D-Clusters. Konfokale Bilder von Zellclustern wurden am 7. Tag der Melanom-Zell-Einzelkultur aufgenommen. Der Scanbereich wurde unter einem 10-fachen Objektiv ermittelt. Der Scan beginnt von unten bis oben im Sphäroid bei einem 1-m-Z-Schritt. Der 2D-Cluster-Rotationsfilm wurde mit Fidschi-Software erstellt. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Video 5: Bewegung von 3D-Sphäroiden. Die 3D-Sphäroide wurden im Kulturmedium aufgehängt und hielten sich nicht an das Kulturgericht/Gut. Als noch mittlere in der Zellkultur brunnen durch sanfte Pipetten gestört wurde, bewegten sich die aufgehängten 3D-Sphäroide. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Video 6: Standfestigkeit von 2D-Tumorzellclustern. Der 2D-Tumorzellhaufen wurde trotz Störung des Kulturmediums auf der Kulturplatte verankert und unbeweglich. Ein paar einzelne tote Zellen waren mobil. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.