Methodenartikel

Brustepithel- und Endothelzell-Sphäroide als potenzielles funktionelles In-vitro-Modell für die Brustkrebsforschung

DOI:

10.3791/62940

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12. Juli 2021

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1Department of Reproductive Endocrinology, Wagistrasse 14, University of Zurich and University Hospital Zurich, 2Department of Dermatology, Wagistrasse 18, University of Zurich and University Hospital Zurich, 3Department of Pharmacology and Chemical Biology, University of Pittsburgh

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Crosstalk zwischen Brustepithelzellen und Endothelzellen trägt wesentlich zum Fortschreiten von Brustkrebs, Tumorwachstum und Metastasierung bei. In dieser Studie wurden Sphäroide aus Brustkrebszellen zusammen mit vaskulären und/oder lymphatischen Endothelzellen hergestellt und demonstrieren ihre Anwendbarkeit als In-vitro-System für die Brustkrebsforschung.

Zusammenfassung

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Brustkrebs ist die häufigste Todesursache bei Frauen. Das Wachstum von Brustkrebszellen und deren anschließende Metastasierung ist ein Schlüsselfaktor für ihr Fortschreiten. Obwohl die Mechanismen, die an der Förderung des Brustkrebswachstums beteiligt sind, intensiv mit Monokulturen von Brustkrebszellen wie MCF-7-Zellen untersucht wurden, wurde der Beitrag anderer Zelltypen, wie vaskulärer und lymphatischer Endothelzellen, die eng am Tumorwachstum beteiligt sind, nicht eingehend untersucht. Die Zell-Zell-Interaktion spielt eine Schlüsselrolle für das Wachstum und die Progression von Tumoren. Die Neoangiogenese oder die Entwicklung von Gefäßen ist für das Tumorwachstum unerlässlich, während das Lymphsystem als Portal für die Migration von Krebszellen und die anschließende Metastasierung dient. Neuere Studien belegen, dass vaskuläre und lymphatische Endothelzellen das Wachstum von Krebszellen signifikant beeinflussen können. Diese Beobachtungen implizieren die Notwendigkeit, In-vitro-Modelle zu entwickeln, die Brustkrebswachstumsprozesse in vivorealistischer widerspiegeln würden. Darüber hinaus erfordern Einschränkungen in der Tierforschung die Entwicklung von Ex-vivo-Modellen, um die beteiligten Mechanismen besser aufzuklären.

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung von Brustkrebs-Sphäroiden, die sowohl aus Brustkrebszellen (Östrogenrezeptor-positive MCF-7-Zellen) als auch aus vaskulären und/oder lymphatischen Endothelzellen bestehen. Das Protokoll beschreibt einen detaillierten Schritt-für-Schritt-Ansatz bei der Herstellung von Dual-Cell-Sphäroiden mit zwei verschiedenen Ansätzen, hängendem Drop (Goldstandard und billig) und 96-Well-U-Bodenplatten (teuer). Es werden detaillierte Anweisungen bereitgestellt, wie die gebildeten Sphäroide vorsichtig aufgenommen werden können, um das Wachstum durch mikroskopische Größenbestimmung zu überwachen und die Lebensfähigkeit durch Färbung toter und lebender Zellen zu beurteilen. Darüber hinaus werden Verfahren zur Fixierung der Sphäroide zum Schneiden und Färben mit wachstumsspezifischen Antikörpern zur Differenzierung von Wachstumsmustern in Sphäroiden beschrieben. Zusätzlich werden Details zur Herstellung von Sphäroiden mit transfizierten Zellen und Methoden zur Extraktion von RNA für die molekulare Analyse bereitgestellt. Zusammenfassend enthält dieser Artikel detaillierte Anweisungen zur Vorbereitung von mehrzelligen Sphäroiden für die Brustkrebsforschung.

Einleitung

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Die Verwendung von Tieren für Experimente hat Grenzen. Tierstudien können das Fortschreiten der Krankheit beim Menschen nicht genau nachahmen, und Tiere und Menschen haben keine identischen Reaktionen auf Krankheitserreger. Darüber hinaus Einschränkungen bei Tierversuchen aufgrund von Bedenken hinsichtlich Tierleid und ethischer Probleme1,2 forschungsprogramme zunehmend einschränken. In vitro Systeme zur Umgehung der Verwendung von Tieren wurden in großem Umfang entwickelt; Darüber hinaus hat die Verwendung menschlicher Zellen dazu geführt, dass in vitro Modelle, die für die pathophysiologische und therapeutische Untersuchung relevanter sind. Herkömmliche Monolayer (2D) Zellkulturen sind weit verbreitet, weil sie menschliches Gewebe bis zu einem gewissen Grad nachahmen. 2D-Monokulturen können jedoch keine menschlichen Organe nachahmen, und 2D-Monokulturen sind nicht in der Lage, die komplexe Mikroumgebung der ursprünglichen Organe zu simulieren und die in vivo Situation3,4,5,6. Darüber hinaus könnten in monoschichtigen Zellkulturen medikamentöse Behandlungen leicht alle Zellen zerstören / schädigen. Wichtig ist, dass einige dieser Einschränkungen durch die Umstellung auf mehrschichtige dreidimensionale (3D) Zellkulturen überwunden werden können.7,8. Tatsächlich wurde gezeigt, dass 3D-Kulturmodelle die zelluläre Struktur, das Layout und die Funktion von Zellen in Primärgeweben besser widerspiegeln. Diese 3D-Kulturen können aus einer Vielzahl von Zelllinien gebildet werden, ähnlich einem funktionellen Organ. Tatsächlich gibt es zwei Modelle von 3D-Kulturen. Ein Modell erzeugt Sphäroide von aggregierten Zellen, die Cluster bilden und sie in Kugeln (gerüstfreie Modelle) umorganisieren. Die zweite ergibt Organoide, die eine komplexere Struktur haben und aus Kombinationen mehrerer organspezifischer Zellen bestehen, die als Miniaturversion von Organen betrachtet werden.9,10. Aus diesem Grund stellen 3D-Kultursysteme eine innovative Technologie mit vielen biologischen und klinischen Anwendungen dar. So haben Sphäroide und Organoide zahlreiche Anwendungen für die Krankheitsmodellierung und Studien im Zusammenhang mit regenerativer Medizin, Arzneimittelscreening und toxikologischen Studien.6,11,12,13,14,15. Karzinogene Sphäroide, abgeleitet von der 3D-Technologie, bilden die Morphologie und den Phänotyp relevanter Zelltypen nach und ahmen die in vivo Tumormikroumgebung und Modellzellkommunikation und Signalwege, die während der Tumorentwicklung funktionsfähig sind16,17,18. Um das Verständnis der Krebsbiologie zu verbessern, können Tumorsphäroide / Organoide auch verwendet werden, um eine potenzielle patientenspezifische Krebstherapie (personalisiert) zu identifizieren und ihre Wirksamkeit, Toxizität und Langzeitwirkungen zu bewerten.19,20,21,22. Sphäroide haben prominente Möglichkeiten eröffnet, Pathophysiologie, Krankheitsmodellierung und Drogenscreening zu untersuchen, da sie in der Lage sind, die zelluläre und dreidimensionale Gewebearchitektur zu erhalten, die Fähigkeit, die in vivo -Situation und die Zell-Zell-Interaktionen. Man muss sich jedoch auch der Einschränkungen dieses Systems bewusst sein, wie dem Fehlen einer vaskulären / systemischen Komponente, eines funktionellen Immun- oder Nervensystems, und das System stellt im Vergleich zu Tiermodellen einen reduktionistischen Ansatz dar. Tatsächlich bieten 3D-Strukturen im Gegensatz zu Tiermodellen nur eine Annäherung an die Biologie innerhalb eines menschlichen Körpers. Das Verständnis der Grenzen der 3D-Methode kann Forschern helfen, verfeinerte und validere Prozesse zur Herstellung von Sphäroiden zu entwickeln, die ein Organ in einem größeren Maßstab besser darstellen23,24,25.

Krebs ist die häufigste Todesursache weltweit, und Brustkrebs ist die häufigste Krebsart bei Frauen26,27,28. Um die komplexe Mikroumgebung von Brustkrebs nachzuahmen, sollten Brustkrebs-Sphäroide mit Zellen kultiviert werden, die eine herausragende Rolle bei Brusttumoren spielen, d. H. Epithelzellen, Endothelzellen, Fibroblasten und / oder Immunzellen. Darüber hinaus sollten bei einem Sphäroid, das Brustkrebs darstellt, auch die Expression weiblicher Hormonrezeptoren (Östrogen-/Progesteronrezeptoren), die Fähigkeit, den histologischen Status des Patiententumors zu erhalten, und die Fähigkeit, das Ansprechen auf die Therapie nachzuahmen, in Betracht gezogen werden. Studien haben gezeigt, dass 3D-Kokultursysteme eine zelluläre Organisation ähnlich der des Primärgewebes in vivohaben, die Fähigkeit haben, in Echtzeit auf Reize zu reagieren, und funktionelle Androgenrezeptoren haben29,30,31,32. Daher könnte ein ähnlicher Ansatz nützlich sein, um einen Brusttumor in vitro nachzuahmen. Der Zweck des aktuellen Protokolls ist es, eine neue Methode zur Erzeugung von Brustkrebs-Sphäroiden zu etablieren. Diese Methode verwendet Östrogenrezeptor-positive MCF-7-Zellen (eine immortalisierte menschliche Zelllinie von Epithelzellen) und vaskuläre Endothelzellen (HUVECs) oder lymphatische Endothelzellen (HMVEC-DNeo), um ein Modell zu erstellen, das die Wechselwirkungen zwischen diesen Zellen innerhalb eines Tumors nachahmt oder genau widerspiegelt. Obwohl MCF-7 (Östrogen-responsive) und Endothelzellen verwendet wurden, um Sphäroide in der vorliegenden Studie zu entwickeln, könnten andere Zellen wie Fibroblasten, die ~ 80% der Brusttumormasse ausmachen, in Zukunft ebenfalls kombiniert werden, um den Brusttumor besser darzustellen und nachzuahmen.

Es gibt mehrere Methoden, um Sphäroide zu bilden, wie zum Beispiel: 1) die hängende Tröpfchenmethode, die die Schwerkraftverwendet 33,34; 2) die Magnetschwebemethode, bei der magnetische Nanopartikel verwendet werden, die einem externen Magneten35ausgesetzt sind, und 3) die sphäroide Mikrotiterplattenmethode, die durchgeführt wird, indem Zellen auf Platten mit geringer Befestigung36,37gesetzt werden. Auf der Grundlage der bestehenden Methoden, die nur einen Zelltyp verwenden, wurde das vorliegende Protokoll unter Verwendung von Epithel- und Endothelzellen optimiert, um die Wachstumsbedingungen von Brustkrebstumoren in vivobesser nachzuahmen38,39,40,41. Diese Methode kann leicht im Labor zu geringen Kosten und mit minimalem Gerätebedarf erreicht werden. Basierend auf dem Bedarf / den Zielen des Labors wurden verschiedene Ansätze verwendet, um Sphäroide zu bilden und relevantes zelluläres Material aus diesen Sphäroiden zu gewinnen. In diesem Zusammenhang werden die 3D-Sphäroide für die DNA-, RNA- oder Proteinanalyse durch Co-Kultivierung von Endothel- und Epithelzellen mit der Hanging-Drop-Methode hergestellt. Für funktionelle Studien, zum Beispiel zur Überwachung des Zellwachstums nach kurzer interferierender (siRNA) Transfektion und/oder Hormonbehandlung, werden die Sphäroide jedoch über U-Bodenplatten erzeugt.

Der Zweck dieses technischen Protokolls besteht darin, eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Beschreibung für 1) die Bildung von mehrzelligen Sphäroiden von Brustkrebs, 2) die Vorbereitung von Proben für die histologische Färbung und 3) die Sammlung von Zellen für die Extraktion von RNA, DNA und Proteinen bereitzustellen. Sowohl die kostengünstige Hängetropfenmethode als auch die teureren U-Bodenplatten werden zur Bildung von Sphäroiden verwendet. Hier wird ein Protokoll zur Vorbereitung (Fixierung) von Sphäroiden für die Schnittung und anschließende Immunfärbung mit Markern zur Beurteilung der Zellproliferation, Apoptose und Verteilung von Epithel- und Endothelzellen innerhalb eines Sphäroids bereitgestellt. Darüber hinaus zeigt dieses Protokoll eine vollständige Schritt-für-Schritt-Analyse histologischer Daten mit der ImageJ-Software. Die Interpretation biologischer Daten variiert je nach Art des Experiments und den verwendeten Antikörpern. Die Schnittung der fixierten Sphäroide und die anschließende Färbung der Schnitte wurde von einem routinemäßigen Pathologielabor durchgeführt (Sophistolab: info@sophistolab.ch).

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Protokoll

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1. Zellkultur

HINWEIS: Führen Sie die Zellhandhabung unter sterilen Bedingungen durch.

  1. Subkultur menschlicher Nabelschnurvenendothelzellen (HUVECs)
    1. 75 cm2 Kolben mit Kollagen (5 μg/cm2) (Rattenschwanz) über Nacht (ON) bei Raumtemperatur (RT) oder 2-3 h bei 37 °C beschichten, mit Wasser abspülen und den Kolben trocknen lassen.
    2. HUVECs in Wachstumsmedium (EBM-2, Endothelial Basal Medium-2) anbauen, ergänzt mit Glutamin (1x = 2 mM), antibiotisch-antimykotischer Lösung (AA; 100 μg/ml Streptomycin, 100 μg/ml Penicillin und 0,025 μg/ml Amphotericin B), LSGS (2% v/v FCS, 1 μg/ml Hydrocortison, 10 ng/ml humaner epidermaler Wachstumsfaktor, 3 ng/ml humaner Basisfibroblasten-Wachstumsfaktor, 10 μg/ml Heparin) und 10% FCS (Fetal Calf Serum) unter Standard-Gewebekulturbedingungen (37 °C, 5%CO2). Wechseln Sie das Medium alle 2 Tage, bis die Zellen 70% -80% Konfluenz erreichen.
    3. Waschen Sie die subkonfluenten Kulturen mit 5 ml HBSS (ohne Ca2+ undMg2+)und geben Sie 3 ml Trypsin (0,25% verdünnt in HBSS (ohne Ca2+ undMg2+)).
      HINWEIS: HBSS kann auch durch PBS ersetzt werden.
    4. Inkubieren Sie die Zellen bei 37 °C für 2 min (mikroskopisch prüfen, ob die Zellen abgetrennt und aufgerundet sind) und stoppen Sie die Ablösungsreaktion durch Zugabe von 6 ml 10% FCS-Medium (DMEM-F12 oder EBM-2, 10% FCS).
    5. Zentrifugieren Sie die Zellsuspension bei 250 x g für 5 min bei RT und verwerfen Sie den Überstand.
    6. Suspendieren Sie die Zellen im Wachstumsmedium und samen Sie in 75 cm2 Kolben oder Kulturschalen.
  2. Michigan Cancer Foundation-7 (MCF-7, humane Brust-Adenokarzinom-Zellen) Subkultur
    1. Menschliche Brustkrebs-Zelllinien in 75 cm2 Kolben im Wachstumsmedium (DMEM/F12-Medium ergänzt mit einem handelsüblichen Glutamin (1x), antibiotisch-antimykotischer Lösung (AA; 100 μg/ml Streptomycin, 100 μg/ml Penicillin und 0,025 μg/ml Amphotericin B) und 10% FCS unter Standard-Gewebekulturbedingungen (37 °C, 5%CO2) züchten. Wechseln Sie das Medium alle 2-3 Tage.
    2. Waschen Sie die subkonfluenten Zellkulturen (70%-80% Konfluenz) mit 5 ml HBSS (ohne Ca2+ und Mg2+)und fügen Sie 3 ml Trypsin (0,5% verdünnt in HBSS (ohne Ca2+ undMg2+)bei 37 °C für 5 min hinzu (mikroskopisch überprüfen, ob die Zellen abgetrennt sind).
      HINWEIS: HBSS kann auch durch PBS ersetzt werden.
    3. Fügen Sie 8 ml 10% FCS-Medium hinzu, um die Ablösungsreaktion zu stoppen, zentrifugieren Sie bei 250 x g für 5 min bei RT und verwerfen Sie den Überstand.
    4. Suspendieren Sie das Pellet im Wachstumsmedium und den Teller in 75 cm2 Kolben oder Kulturschalen.

2. Sphäroidbildung

  1. Platte 5 x 105 Zellen/ml (HUVECs und MCF-7) in einer 3,5 cm runden Schale und Kultur für 48 h.
  2. Behandeln oder transfizieren Sie die plattierten Zellen für 24 Stunden oder nach Wunsch.
  3. Optionaler Schritt in 96-Well-U-Bodenplatte: Waschen Sie die Zellen mit 1 ml HBSS (Ca2 + und Mg2 +)und färben Sie HUVECs mit einem blauen Farbstoff (0,5 μg / ml) und MCF-7-Zellen mit einem grünen Farbstoff (0,5 μM), der im jeweiligen Wachstumsmedium verdünnt ist, und geben Sie ihn für 30-40 min in einen 37 ° C und 5% CO 2-Inkubator.
  4. Waschen Sie die Zellen mit 1 ml HBSS (ohne Ca2+ und Mg2+),geben Sie 1 ml enzymatisches Ablösungsreagenz (0,25% Trypsin für HUVEC und 0,5% Trypsin für MCF-7) zu jeder runden Schüssel mit einer P1000-Pipette und inkubieren Sie dann für 2-5 min, bis sich die Zellen gelöst haben.
  5. Sammeln Sie jeden Zelltyp separat in einem 5-ml-Rundboden-Polystyrolröhrchen und fügen Sie 1 ml 10% iges FCS-Medium mit einer P1000-Pipette hinzu, um die enzymatische Reaktion zu stoppen. Zentrifugieren Sie die Zellsuspensionen bei 250 x g für 5 min.
  6. Den Überstand vorsichtig absaugen und die Zellen in 1 ml steroidfreiem Medium suspendieren (EBM-2, Glutamin, Antibiotikum-Antimykotikum, 0,4% FCS sf (Holzkohle-strippen)).
    HINWEIS: Steroidfreies Medium kann durch normales Wachstumsmedium ersetzt werden.
  7. Verwenden Sie 100 μL jeder Zellsuspension, die mit 10 ml Verdünnungsmittel II verdünnt ist (siehe Tabelle der Materialien),um die Gesamtzellzahl zu bestimmen und die Menge des Behandlungsmediums (EBM-2, Glutamin, Antibiotikum-Antimykotikum, 0,4% FCS sf, Vehikel /Behandlung) zu berechnen, das benötigt wird, um eine Zellsuspension von 5 x 103 Zellen / ml oder 3,4 x10 5 Zellen / ml pro Zelltyp zu erhalten.
    1. Zellzahl
      1. Schalten Sie die Maschine ein und bündig, indem Sie die Tasten Funktion und Start drücken (Set-up S3), mit Verdünnungsmittel II-Lösung in einer Zellzählerfläschchen.
      2. Verwenden Sie Setup S4 und drücken Sie Start, um den Rohling mit frischer Verdünnungsmittel-II-Lösung zu messen.
      3. Wechseln Sie die Szintillationsfläschchen mit 100 μL Zellsuspension in 10 mL Verdünnungsmittel-II-Lösung und messen Sie die Proben: S4 einrichten und Startdrücken.
      4. Beachten Sie die Anzahl der Zellen pro ml auf der Digitalanzeige.
        HINWEIS: Die Zellzählung kann auch mit anderen manuellen oder automatischen Systemen durchgeführt werden: Hämozytometer-Gitternetzlinien, Lichtstreu-Zellzähltechnologie, elektrische Impedanz, bildgebende Systeme mit Zellfärbung, z. B. Trypanblau.
    2. 96-Well U-Bodenplatten
      1. Von jeder Zellsuspension (5 x 10 3 Zellen/ml)werden 5 ml hergestellt und zu einem Endvolumen von 10 ml im Verhältnis 1:1 vermischt.
      2. Verwenden Sie eine manuelle Repetierpipette, um 100 μL der Zellsuspension in jede Vertiefung der 96-Well-U-Bodenplatten zu pipettieren.
      3. Legen Sie die Platte unter Standardbedingungen der Gewebekultur in einen Inkubator und überprüfen Sie nach 48 h die Bildung von Sphäroide.
      4. Optionaler Schritt: Fotografieren Sie die Sphäroide (40x) mit einem Fluoreszenz-Stereomikroskop.
        HINWEIS: Diese Methode erzeugt 96 Sphäroide (ein Sphäroid / Well) nach 48 h (Fläche 1-2 Pixel2)und wird normalerweise für Wachstumsstudien verwendet.
    3. Hängender Tropfen
      1. Mischen Sie die Zellsuspensionen (3,4 x 105 Zellen/ml) im Verhältnis 1:1, um ein Endvolumen von 2 ml zu erhalten.
      2. Verwenden Sie eine P20-Pipette, um die Zellmischung in Form von 15 μL-Tropfen auf den umgekehrten Deckel einer 10 cm großen Petrischale zu säen.
      3. Drehen Sie den Deckel mit den Tropfen um und fügen Sie 5 ml Basismedium (EBM-2) am Boden der Schüssel hinzu, um eine Verdunstung der Tropfen zu vermeiden.
        HINWEIS: Diese Methode erzeugt nach 48 h ein Sphäroid/Tropfen. Stellen Sie sicher, dass die Tropfen ausreichend voneinander entfernt sind, damit sie beim Umschalten des Deckels nicht verschmelzen. Verwenden Sie bei Bedarf mehr als eine 10 cm Petrischale.

3. Sphäroid-Wachstumsstudie

  1. Platte 100 μL HUVECs und MCF-7 Zellmischung (5 x 102 Zellen/Well) in 96-Well U-Bodenplatten und legen Sie sie in den Inkubator.
  2. 48 h nach der Beschichtung mit einem inversen Mikroskop (Hellfeld) auf Sphäroidbildung prüfen. Machen Sie Fotos (mindestens sechs Bilder pro Behandlung, 40x) bei 96 h Kultur.
  3. Öffnen Sie die Bilder mit einer Bildverarbeitungssoftware und verarbeiten Sie das Bild auf 300 Pixel / Zoll und speichern Sie das Bild als TIFF-Datei.
  4. Laden Sie die ImageJ-Software herunter und öffnen Sie sie. Klicken Sie auf die Option Datei und gehen Sie zu Öffnen.
  5. Konvertieren Sie die Bereiche von Interesse einheitlich in gesättigte schwarze Bereiche, um ein binäres Bild (Schwarz-Weiß) zu erhalten. Wählen Sie dazu die Option Bild, wählen Sie Typ | 8-Bit. Jetzt ist das Bild schwarz-weiß.
  6. Verwenden Sie das Freihandauswahl-Werkzeug, um den Rand der Sphäroide zu zeichnen.
  7. Um den Interessenbereich zu berechnen und das Objekt oder die Vordergrundpixel von den Hintergrundpixeln zu trennen, verwenden Sie die Schwellenwertfunktion: Wählen Sie die Option Bild, wählen Sie Anpassen und klicken Sie auf Schwellenwert.
  8. Jetzt öffnet sich ein Popup-Fenster Schwellenwert. Die obere Leiste zeigt den minimalen Schwellenwert an: Setzen Sie den Wert auf Null. Die untere Leiste zeigt den maximalen Schwellenwert an: Verschieben Sie den Balken, bis der Interessenbereich vollständig rot wird.
    HINWEIS: Wenn die Farbe nicht rot ist, wählen Sie im Fenster Schwellenwert die Option Rot aus.
  9. Gehe zu | analysieren Stellen Sie Messungen ein und wählen Sie Fläche und Umfang.
  10. Um den Interessenbereich zu messen, wählen Sie die Option Analysieren (Analyze) und verwenden Sie das Werkzeug Partikel analysieren (Analyze Particles). Legen Sie im Fenster Partikel analysieren die zu messende Größe fest (0,00003-Unendlich oder 3-Unendlich, abhängig von der Größe der Sphäroide), wählen Sie Ergebnisse zusammenfassen und anzeigenaus. Klicken Sie dann auf OK.
  11. Die Ergebnisse werden in einem Diagramm angezeigt. Kopieren Sie die Messungen in eine Tabelle, um die Daten zu analysieren.
    HINWEIS: Die Fläche wird als Gesamtzahl der Pixel berechnet. Verwenden Sie die Gesamtfläche für die Berechnung.

4. Sphäroid-Immunhistochemie-Studie

  1. Probenvorbereitung
    1. Platten Sie die Zellmischung aus HUVECs und MCF-7 (5 x 103 Zellen/Well) in 96-Well U-Bodenplatten in HUVEC Wachstumsmedium für 96 h.
    2. Etwa 50 Sphäroide in einem 1,5 ml Röhrchen mit einer Schnittspitze einer P200 μL-Pipette sammeln; Lassen Sie sie sich durch Schwerkraft am Boden der Röhre absetzen und verwerfen Sie dann den Überstand.
    3. Fixieren Sie die Sphäroide mit 500 μL 4% PFA für 1 h, RT.
    4. 2% ige Nobel-Agar-Lösung in PBS mit einer Heizplatte mit einem Magnetrührer für 3-5 min kochen, um das Agarosepulver vollständig aufzulösen und auf etwa 60 °C abzukühlen.
    5. Entfernen Sie die PFA mit einer P1000-Pipette, waschen Sie die Sphäroide mit 500 μL PBS und lassen Sie sie sedimentieren. Verwerfen Sie den Überstand.
    6. 600 μL Agaroselösung vorsichtig mit Sphäoiden in das 1,5 ml Röhrchen pipettieren und sofort in eine Zentrifuge mit horizontalem Rotor bei 177 x g für 2 min legen.
    7. Fügen Sie eine kurze Schnur in der Mitte der Agaroselösung hinzu, um den Stopfen leicht aus dem Röhrchen zu entfernen.
    8. Agarosepfropfen auf Eis oder bei 4 °C verfestigen. Geben Sie 500 μL PBS in das 1,5-ml-Röhrchen, um ein Austrocknen des Pellets zu vermeiden.
      HINWEIS: Die Proben sind bereit für die anschließende Dehydratisierung, Paraffineinbettung, Schnitt, Übertragung auf die Objektträger und IHC-Färbung (durchgeführt von Sophistolab).
  2. Bildaufnahme und -verarbeitung
    1. Erfassen Sie Bilder von Sphäroideschnitten mit einem Stereomikroskop.
    2. Speichern Sie drei Bilder für jedes Beispiel als .jpg Dateien.
    3. Öffnen Sie die ImageJ-Software. Öffnen Sie das JPEG-Bild, klicken Sie auf Datei und dann auf Öffnen.
    4. Wählen Sie in der Option Bild die Option Farbe und Farbdekonvolution aus.
    5. Wählen Sie im Fenster Color Deconvolution 1.7 die Option H DAB-Vektoren aus, und die drei Bilder werden angezeigt.
      HINWEIS: Die drei Bilder sind: Farbe 1 repräsentiert nur die Hematoxylin-Färbung (blau / lila) und Farbe 2 stellt nur die DAB-Färbung (braun) dar. Farbe 3 wird für die Bildanalyse mit zwei Verfärbungen nicht benötigt.
    6. Wählen Sie das Fenster Farbe 1 und legen Sie den Schwellenwert fest: Gehen Sie zu Bild | Anpassen und auf Schwellenwertklicken. Das Fenster Schwellenwert wird angezeigt.
    7. Lassen Sie den minimalen Schwellenwert auf Null gesetzt und passen Sie den maximalen Schwellenwert an, um das Hintergrundsignal zu entfernen, ohne das wahre Signal zu beeinflussen. Klicken Sie auf Übernehmen.
      1. Flächenmessung
        1. Klicken Sie auf Analysieren, wählen Sie Set Measurement. Wählen Sie Bereich, mittlerer Grauwertund Min. und Max. Grauwert und klicken Sie zur Bestätigung auf OK.
        2. Messen Sie die Größe des Kerns mit der Option Analysieren und wählen Sie dann Messenaus.
          HINWEIS: Das Ergebnisfenster enthält den Namen des Bildes (Beschriftung), die Größe des Bildes (Fläche), die durchschnittliche Pixelintensität des IHC-Bildes (Mittelwert) sowie die minimalen und maximalen Grauwerte (Min, Max). Verwenden Sie den Mittelwert für die Berechnung.
        3. Wiederholen Sie die Schritte 4.2.6-4.7.1.2 für das Fenster Farbe 2 (und Farbe 3 bei doppelter Färbung).
      2. Zellquantifizierung
        1. Klicken Sie auf Verarbeiten, wählen Sie die Option Binär und wählen Sie Wasserscheide, um die Zellen zu trennen.
        2. Gehen Sie zu Analysieren und klicken Sie auf Partikel analysieren. Legen Sie im Popup-Fenster Partikel analysieren die Größe der Zellen so fest, dass unspezifische Partikel ausgeschlossen werden. Klicken Sie anschließend auf der Option Anzeigen auf das Dropdown-Feld und wählen Sie Gliederungenaus. Klicken Sie dann auf OK.
        3. Wiederholen Sie die Schritte 4.2.6-4.2.7 und die Zellquantifizierungsschritte (Abschnitt 4.2.7.2) für das Fenster Farbe 2 (und Farbe 3 bei doppelter Färbung).
          HINWEIS: Jetzt werden drei Fenster angezeigt: 1) Zusammenfassungsergebnisse (Anzahl der gezählten Zellen, Gesamtfläche, durchschnittliche Größe, Prozentsatz der Fläche und Mittelwert), 2) Ergebnisse (entsprechend den gezählten Zellen) und 3) Zeichnungsfenster (dargestelltes Bild der gezählten Zellen).

5. Lebende/tote Färbung in Sphäroide

  1. Herstellung von 4 mM Stammlösungen von Calcein AM in DMSO (färbt lebende Zellen grün) und 2 mM Ethidium homodimer in DMSO (färbt tote Zellen rot) in 1,5 ml Röhrchen.
  2. Berechnen Sie die Lösungsmenge, die erforderlich ist, um 10 μL/Well einer Mischung aus Calcein AM und Ethidium-Homodimer, verdünnt 1:50 in EBM-2, hinzuzufügen.
  3. Geben Sie die Färbemischung zu den Sphäroide und legen Sie die Platte unter Standard-Gewebekulturbedingungen für 30-60 min in den Inkubator.
  4. Erfassen Sie Bilder (40x) mit dem Fluoreszenz-Stereomikroskop.

6. Sphäroid-Protein- und RNA-Isolierung

  1. Zellsuspensionen mit 3,4 x 105 Zellen/ml pro Zelltyp vorbereiten, im Verhältnis 1:1 mischen und die Zellmischung mit einer P20-Pipette in Form von 15 μL-Tropfen auf den Deckel einer 10 cm großen Petrischale aussäen. Kehren Sie das Lid um und legen Sie es unter Standard-Gewebekulturbedingungen für 96 h in den Inkubator.
  2. Verwenden Sie 5-6 ml PBS, um Sphäroide in einem 15 ml polystyrolförmigen Röhrchen mit rundem Boden unter Verwendung von 5 ml sterilen Polystyrolpipetten zu sammeln.
    HINWEIS: Es ist auch möglich, konische 15-ml-Rohre zu verwenden.
  3. Zentrifugieren Sie die Sphäroidsuspension bei 250 x g für 5 min und aspirieren Sie dann vorsichtig den Überstand.
  4. Fügen Sie 500 μL Trypsin (100%) hinzu und pipettieren Sie mit einer P1000-Pipette für 30 s, um Sphäroide zu disaggregieren, wodurch eine Zellsuspension erreicht wird.
  5. Neutralisieren Sie Trypsin mit 10% FCS-Medium, zentrifugieren Sie die Röhrchen bei 250 x g für 5 min und aspirieren Sie den Überstand.
  6. Verwenden Sie gemäß dem Protokoll des Herstellers (spezifisches Kit für die DNA-freie RNA-Isolierung) 300 μL RNA-Lysepuffer, um das Zellpellet zu lysieren.
    HINWEIS: Lysepuffer kann auch direkt zu den intakten Sphäroiden hinzugefügt werden (kein Trypsin-Schritt erforderlich), um RNA zu extrahieren. 300 μL des Lysepuffers zu den pelletierten Sphäroide geben, Röhrchen in Eis legen und 10 Mal mit einer P200-Pipette verdränken. Anschließend isolieren Sie RNA wie oben. Sphäroiddissoziation kann erforderlich sein, wenn die RNA-Rückgewinnung aufgrund von Matrixinterferenz gering ist.
  7. Alternativ können Sie 70 μL des Lysepuffers zur Proteinisolierung verwenden. Homogenisieren Sie für 2-4 s durch Beschallung und bestimmen Sie die Proteinkonzentration gemäß dem Protokoll des Herstellers mit einem BCA Assay Kit.
    HINWEIS: Zur Proteinisolierung können pelletierte Sphäroide direkt im Lysepuffer lysiert werden, gefolgt von der Beschallung. Verwenden Sie 25 μg Gesamtprotein, um Western Blot durchzuführen.

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Ergebnisse

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Das Sphäroidmodell unter Verwendung von epithelialen und endothelialen Co-Kulturen ist erforderlich, um die In-vivo-Bedingungen von Brusttumoren für In-vitro-Experimente genau nachzuahmen. Das Schema in Abbildung 1 zeigt das Protokoll zur Bildung von Sphäroide mit Brustkrebsepithelzellen und vaskulären oder lymphatischen Endothelzellen (Abbildung 1). Jeder Zelltyp wird separat in einer 3,5 cm langen runden Schale ausgesät und mit Wachstumsstimu...

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Diskussion

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Im Vergleich zu 2D-Zellkulturen ist die revolutionäre 3D-Sphäroidkulturtechnologie ein besseres und leistungsfähigeres Werkzeug, um die Mikroumgebung, Zell-Zell-Interaktionen und Arzneimittelreaktionen eines Organs in vitrozu rekonstruieren. Dies ist das erste Protokoll, das die Bildung von Sphäroiden aus mehrzelligen (epithelialen und endothelialen) Zelllinien für die Brustkrebsforschung beschreibt. Dieses Protokoll gewährleistet das sphäroide 3D-Wachstum von Sphäroiden für bis zu 5 Tage, und Sphäroide können n...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Danksagungen

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Diese Forschung wurde von der Cancer Research Foundation / Swiss Cancer League Grant KFS-4125-02-2017 an RKD und Dem National Institute of Health Grant DK079307 an EKJ unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
100 mm & mal 20 mm mit Gewebekulturen behandelte KulturschalenCorningCLS430167
149MULTI0C1
35 x 10 mm GewebekulturschaleFalcon353001
5 mL serologische Pipet, Polystyrol, einzeln verpackt, sterilFalcon357543
Adobe PhotoshopVersion: 13.0.1 (64- bit)
Antibiotische Antimykotische Lösung (100&mal;)Sigma-AldrichA5955
Calcein-AMSigma-Aldrich17783
CD31 (Differenzierungscluster 31)Cell Marque131M-95monoklonaler Maus-ab-Klon JC70
CellTracker Green CMFDA (5-Chlormethylfluoresceindiacetat)InvitrogenC7025
CK8/18 (Cytokeratine 8 und 18)DBSMob189-05monoklonale Maus ab, Klon 5D3
CKX41 InversesMikroskop Olympus Life ScienceOlympus DP27 Digitalkamera
Gespaltene Caspase 3Zellsignalisierung9661Lpolyklonales Kaninchen ab
Kollagen (Rattenschwanz)Roche11 179 179 001
Schar ISOTON II VerdünnungsmittelBeckman Schar844 80 11Verdünnungsmittel II
Schar Z1, ZellzählerSchar Electronics, Luton, UK
Dehydrierte Nährmedien: Edler AgarBD DifcoBD 214220
Dermale mikrovaskuläre endotheliale Neugeborene, gepoolte Spender (HMVEC-DNeo)LonzaCC-2516
Dimethylsulfoxid (DMSO)Sigma-AldrichD2650
Dulbecco' s Modifizierter Adler" s Medium/Nährstoff-Gemisch F-12 HamSigma-AldrichD6434
EBM-2 Basalmedium für das Wachstum von Endothelzellen-2Lonza190860
Ethidium-HomodimerSigma-Aldrich46043
Fötales Kälberserum (FCS)Thermo Fisher ScientificSH30070
Fötales Kälberserum Charcoal Stripped (FCS sf)Thermo Fisher ScientificSH3006803
Fluoreszenz-Stereomikroskope Leica M205 FALeica Microsystems
GlutaMAX Supplement (100x)Gibco35050038
HBSS, kein Calcium, kein Magnesium, kein PhenolrotGibco14175053
Hoechst 33342Life TechnologiesH3570
HUVEC – Endothelzellen der menschlichen NabelveneLonzaCC-2517
ImageJNational Institute of Health, USAWayne Rasband
Version: 1.52a (64-bit)
Ki67Cell Marque275R-16monoklonales Kaninchen ab, Klon SP6
Leica vollmotorisiertes Fluoreszenz-StereomikroskopLeica MicrosystemsM205 FA
Leica Histocore Multicut Rotationsmikrotom149MULTI0C1
Low Serum Growth Supplement Kit (LSGS Kit)GibcoS003K
MCF-7 Zellen – humane Brust-Adenokarzinom-ZelllinieKlinik für Gynäkologie, Universitätsspital ZürichÜbergeben von Dr. Andrè Fedier gewonnen aus ATCC
Nunclon Sphera 96U-Well-PlatteThermo Fisher Scientific174925
Paraformaldehyd (PFA)Sigma-AldrichP6148
Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) 1xGibco10010015
Pierce BCA Protein Assay KitThermo Scientific23225
Protein Lysis BufferCell Signaling, Danvers, USA9803
Quick-RNA Miniprep KitZymo ResearchR1055
RNA Lysis BufferZymo ResearchR1060-1-100Inhalt im Quick-RNA Miniprep Kit
Rotina 46R ZentrifugeHettich
Röhrchen aus Polystyrol mit rundem Boden, 5 mLFalcon352003
SonicatorBandelin electronics, Berlin, DE
Tecan Infinite Serie M200 Mikrotiterplatten-ReaderTecan, Salzburg, AU
Gewebekulturflaschen 75TPP90076
Trypsin-EDTA-LösungSigma-AldrichT3924

Referenzen

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