Los enfoques de cribado agrupado basados en CRISPR-Cas9 están bien establecidos en diferentes contextos celulares. Sin embargo, el cribado en células quimiorresistentes presenta desafíos claros y requiere optimización adicional. Dado que las células quimiorresistentes sirven como modelos valiosos para estudiar las vulnerabilidades de tumores quimiopresistibles, es importante abordar estas limitaciones en las estrategias de cribado para identificar de forma fiable reguladores genéticos o epigenéticos de la quimiorresistencia.
La generación de líneas celulares quimioresistentes puede ser engorrosa y depende en gran medida del agente quimioterapéutico utilizado. Aunque las células pueden adaptarse fácilmente a ciertos fármacos, pueden ser muy susceptibles a otros25. Por ello, es importante determinar los valores específicos de la línea celular de IC50 antes del protocolo de generación de líneas celulares resistentes. En casos en los que las células no toleran la exposición al fármaco a nivel de IC50 en varios conductos, es posible comenzar con una concentración de fármaco más baja (por ejemplo, IC10-20) (véase la sección 1 del Protocolo)17. Dado que la adquisición de resistencia es un evento estocástico, varios pozos/placas de células pueden tratarse al mismo tiempo para aumentar la probabilidad de obtener células resistentes. Es fundamental caracterizar de forma exhaustiva la población celular resistente a fármacos obtenida para describir los cambios transcripcionales y fenotípicos durante el procedimiento de escalada de dosis en comparación con su estado ingenuo. Se pueden emplear enfoques de perfilado global como RNA-seq para identificar genes expresados diferencialmente en relación con la línea parental. Funcionalmente, la resistencia adquirida a fármacos debe validarse mediante ensayos de viabilidad y proliferación celular para demostrar que las células resistentes mantienen la supervivencia bajo condiciones de tratamiento farmacológico citotóxicas para las células parentales. Además, se deben medir los posibles cambios en su capacidad proliferativa y tasa de crecimiento en comparación con la línea celular parental para calcular sus respectivas PDL. Dado que se sabe que la resistencia adquirida al Taxol está mediada, al menos en parte, por el eflujo de fármacos mediado por ABC, la expresión de transportadores clave del ABC (por ejemplo, ABCB1) debe evaluarse a nivel de ARNm y proteínas mediante qPCR y Western bloting, y puede complementarse con datos transcriptómicos. En función del perfil de expresión del transportador ABC, se debe considerar la presencia del fenotipo MDR y evaluar la resistencia a otros agentes quimioterapéuticos. En nuestro estudio anterior, caracterizamos las líneas celulares resistentes al Taxol e identificamos ABCB1 como uno de los genes más regulados al alza, y razonábamos que la resistencia multifármaco mediada por ABCB1 puede causar fallo en la selecciónde puromicina 17. Por lo tanto, tras la generación de células resistentes, la expresión de los transportadores ABC y el fenotipo MDR deben evaluarse antes de cualquier procedimiento de transfección.
El método de escalada de dosis ofrece ventajas frente a los protocolos de exposición a fármacos en dosis altas, ya que las células pueden ser criopreservadas en cada paso antes de aumentar la dosis, proporcionando flexibilidad y protegiendo contra la pérdida de cultivos. Además, la escalada gradual de la dosis permite la adquisición de fenotipos de resistencia a lo largo del tiempo, facilitando la evolución adaptativa; en contraste con el tratamiento agudo de dosis altas, que resulta en la selección de subpoblaciones resistentes preexistentes. Su progresión paso a paso permite a los investigadores elegir deliberadamente el nivel de resistencia deseado para detener la selección y evaluar las propiedades del fenotipo resultante. Además, los pasos intermedios de la escalada de dosis podrían aprovecharse para estudiar los mecanismos de resistencia adquirida en un proceso temporal. Según la cuestión biológica subyacente, se podrían obtener diferentes niveles de resistencia para estudiar tanto los mecanismos adaptativos tempranos con niveles de resistencia más bajos como fenotipos de resistencia estables y completamente estables en células más resistentes. Además, los umbrales de resistencia clínicamente relevantes varían sustancialmente en función del fármaco, la línea celular y la tasa intrínseca de proliferación; por lo tanto, el calendario de aumento de la dosis puede variar en consecuencia (en nuestro caso, la generación de células resistentes al Taxol requirió aproximadamente 6 meses). En consonancia con esta lógica, establecimos dos niveles diferentes de resistencia con células SUM159PT en nuestro estudio anterior y comparamos sus características distintivas ycomparadas 17. Por ello, recomendamos que los investigadores definan el rango de IC50 objetivo del fármaco de interés según su relevancia clínica y biológica.
Está bien establecido que la retirada de la presión del fármaco puede provocar la pérdida de quimiorresistencia, ya que las células pueden reconfigurar su epigenoma ytranscriptoma 25. Por esta razón, se sugiere evaluar la estabilidad del fenotipo de resistencia durante varios meses. Si las células tienden a volver a un estado sensible tras la retirada del fármaco, las células resistentes pueden cultivarse en presencia de la dosis de mantenimiento, típicamente correspondiente a la concentración final utilizada durante la generación de resistencia, para preservar su fenotipo de resistencia. Aunque los modelos de líneas celulares quimioresistentes in vitro son prácticos, reproducibles y ampliamente utilizados para estudiar quimioresistencia adquirida, pueden no reflejar completamente la heterogeneidad fenotípica observada en tumores de pacientes y carecer del microambiente tumoral, las interacciones inmunitarias y la heterogeneidadespacial 3,4,25. Además, el paso prolongado durante la generación de resistencia puede causar alteraciones genéticas y epigenéticas que divergen de las observadas en muestras de pacientes, limitando potencialmente la relevancia traslacional de los hitos identificados. Por lo tanto, los genes y mecanismos candidatos identificados mediante este protocolo deberían validarse aún más en sistemas experimentales clínicamente relevantes, como modelos de cocultivo, organoides derivados del paciente o estudios in vivo. EPIKOL ofrece ventajas por su naturaleza enfocada si se quieren realizar cribas complementarios en estos modelos, donde el número máximo de celdas que se pueden obtener es inherentemente limitado.
Las células quimiorresistentes suelen crecer más lentamente que sus homólogas parentales, lo que puede suponer un reto práctico para cribados genómicos que requieren grandes poblaciones celulares para mantener la cobertura de bibliotecas. Bibliotecas focalizadas como EPIKOL ofrecen una ventaja para realizar un cribado con menos material de partida y proporcionando una mayor profundidad de sgRNA por gen, mejorando así la sensibilidad y la reproducibilidad dentro del espacio objetivo definido. Sin embargo, por diseño, EPIKOL solo captura los mecanismos de resistencia epigenética y no cubre a los contribuyentes no epigenéticos a la quimiorresistencia. Por tanto, la elección de la biblioteca debe guiarse por experimentos previos y la cuestión biológica específica. Los usuarios de estas bibliotecas deben ser conscientes de las limitaciones de las bibliotecas enfocadas e interpretar los resultados dentro del ámbito de la biblioteca.
Una barrera importante en el cribado CRISPR de modelos quimioresistentes es la aparición del fenotipo MDR impulsado por la regulación alcista del transportadorABC 9,10. Diferentes transportadores ABC median el flujo de distintos sustratos. Una vez generada una línea celular resistente a fármacos, es importante evaluar si la resistencia se extiende a otros agentes quimioterapéuticos. La resistencia a la puromicina es causada principalmente por la sobreexpresión de ABCB1, y esto afecta al proceso de selección de los enfoques de cribado CRISPR agrupados, ya que la mayoría de estas bibliotecas llevan casetes de selección de puromicina para el enriquecimiento de células transducidas. Aquí, utilizamos verapamilo, un inhibidor de ABCB1 de primera generación, para facilitar la acumulación intracelular de puromicina y eliminar selectivamente las células resistentes no transducidas que de otro modo escaparían a la selección debido al eflujo de fármacos mediado por ABCB1. Dado que el verapamilo se une a ABCB1 de forma reversible, la función de ABCB1 se restaura en cuestión de horas tras la retirada del verapamil. Por lo tanto, el verapamilo no confiere una vulnerabilidad adicional a las células resistentes durante la fase de tratamiento farmacológico posterior del cribado. Sin embargo, hay que reconocer varias limitaciones del verapamil. Dado que el verapamilo es un inhibidor de los canales de calcio y otros transportadores, puede influir en la fisiología celular más allá de la inhibición deABCB1 10. Además, la concentración efectiva de verapamilo varía entre líneas celulares y modelos MDR dependiendo del nivel de expresión de ABCB1 y la actividad de otros transportadores. Por lo tanto, la concentración de verapamilo debe optimizarse para cada línea celular, y se podría considerar una nueva generación de inhibidores de ABCB1 más específicos para ABCB1 si los efectos fuera del objetivo son una preocupación. Como otro paso crítico, el título viral debería realizarse en la propia célula resistente en lugar de en las contrapartes parentales, ya que la infectividad y la selectabilidad suelen diferir en las células resistentes.
Otra consideración importante es determinar la duración adecuada del cribado, ya que las células quimioresistentes suelen crecer más lentamente que sus homólogos parentalesemparejados (26). Para tener en cuenta esta diferencia, utilizamos cálculos de nivel de duplicación poblacional (sección 6 del protocolo) para evaluar cuándo los grupos de control y tratamiento alcanzaron el umbral deseado de PDL. Por tanto, los cribados pueden terminarse en días diferentes, permitiendo duplicaciones comparables de población y facilitando una interpretación más segura de los efectos del ARNsg en el grupo de tratamiento.
Las PCR de preparación de bibliotecas son considerablemente importantes para la precisión de la identificación de impactos aguas abajo. El sesgo introducido por una baja entrada de gDNA y el aumento de los ciclos de PCR puede conducir a la amplificación de ciertas secuencias de sgRNA, causando enriquecimientos o deplecciones falsamente positivas. Para mitigar esto, recomendamos utilizar la máxima cantidad posible de gDNA, respetar los números de ciclo PCR que ofrece este protocolo y ejecutar reacciones paralelas para agrupar antes de la secuenciación. Cuando sea posible, la cobertura bibliotecaria no debe caer por debajo de los umbrales recomendados (>300× de cobertura) para garantizar una detección fiable de sgRNAs agotados en lugar de una caída estocástica de sgRNAs de baja abundancia debido a la baja cobertura.
Tras la secuenciación, utilizamos el marco de análisis MAGeCK y realizamos varios análisis posteriores de control de calidad e interpretación de datosen los pasos 24. En primer lugar, se utilizó el análisis de componentes principales (PCA) para evaluar la distribución y reproducibilidad de réplicas biológicas (datos no mostrados, resultado MAGeCK). Se espera el agrupamiento replicado en PCA dentro de cada brazo; Sin embargo, una mayor variabilidad en el brazo tratado con fármaco es una característica común de los cribados de quimiorresistencia, ya que el fármaco puede inducir cambios estocásticos. Si los controles positivo y negativo se comportan como se espera en cada brazo, esta variabilidad no impide la identificación de aciertos verdaderos-positivos. A continuación, se aplicó la normalización de lecturas por millón (RPM) del conteo de sgRNA en los momentos iniciales y finales para evaluar si los sgRNAs dirigidos a genes esenciales estaban agotados comose esperaba 14. Posteriormente, se utilizó la normalización mediana para agregar efectos a nivel de ARNsg, permitiendo la identificación de agotamientos a nivelgénico 24. Las puntuaciones de agotamiento a nivel de gen se visualizaron utilizando gráficos en cascada, que clasifican los genes desde los más agotados hasta los más enriquidos. Las alteraciones en el número de copias y la poliploidía derivadas de la exposición prolongada a medicamentos pueden confundir los resultados de cribado mediante un corte de Cas9 ineficienteo excesivo 27. Aunque EPIKOL se dirige a reguladores de cromatina que generalmente no están sujetos a amplificaciones impulsadas por Taxol, recomendamos evaluar el estado de ploidía y los cambios en el número de copias en las células resistentes antes del cribado. Si se sospecha que hay cambios en el número de copias, se pueden aplicar herramientas de corrección computacional como CRISPRcleanR o CERES durante el análisis MAGeCK.
En cribados que involucran dos grupos experimentales, grupo control y grupo de tratamiento, se requieren diferentes comparaciones para interpretar correctamente el rendimiento del cribado y las dependenciasbiológicas 17. Las comparaciones iniciales y finales son adecuadas para evaluar el rendimiento en el cribado, incluyendo el comportamiento esperado de genes esenciales y controles no dirigidos. La comparación del punto final del grupo control (DMSO) con el punto temporal inicial permite identificar los genes necesarios para el crecimiento y la aptitud de las células resistentes en ausencia de presión del fármaco. En contraste, la comparación de dos muestras finales, la tratada con fármaco (Taxol) y la control (DMSO), revela los genes específicos que eran necesarios para la resistencia al fármaco en lugar de la aptitud general. Cabe señalar que la comparación directa de las dos muestras finales conduce a una distribución sesgada de controles génicos esenciales, ya que son necesarios para la supervivencia en ambos grupos. Un método alternativo de visualización podría ser el gráfico de Volcano, que muestra los cambios de pliegue log2 junto con valores de significación, permitiendo identificar genes significativamente agotados. Una vez identificados los genes candidatos, los recuentos normalizados de sgRNA y los gráficos de visualización son útiles para decidir los sgRNAs con mejor rendimiento para ensayos de validación posteriores. Para el cribado EPIKOL, recomendamos priorizar genes candidatos apoyados por el comportamiento concordante de al menos 6 de cada 10 sgRNAs, ya que esto proporciona mayor confianza en los efectos a nivel génico.
Aquí, ofrecemos un protocolo optimizado para realizar cribado con EPIKOL en líneas celulares resistentes al Taxol que han aumentado la regulación de ABCB1 y han exhibido fenotipo MDR. Este protocolo es aplicable en términos generales a cualquier modelo quimioresistente que muestre resistencia cruzada a puromicina u otros antibióticos de selección, permitiendo así el cribado CRISPR en estas células. La orientación práctica para los desafíos técnicos más comunes que se encuentran en todos los pasos del protocolo se proporciona en la Tabla Suplementaria 1.