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Research Article
Kimberley A. Beaumont1,2, Andrea Anfosso1,2, Farzana Ahmed3, Wolfgang Weninger*1,4,5, Nikolas K. Haass*1,3,5
1The Centenary Institute, 2Sydney Medical School,University of Sydney, 3The University of Queensland Diamantina Institute, Translational Research Institute,The University of Queensland, 4Department of Dermatology,Royal Prince Alfred Hospital, 5Discipline of Dermatology,University of Sydney
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Descriviamo due metodi complementari utilizzando l'indicatore del ciclo cellulare di ubiquitinazione a fluorescenza (FUCCI) e l'analisi delle immagini o la citometria a flusso per identificare e isolare le cellule nelle regioni interne G1 arrestate e proliferanti esterne degli sferoidi 3D.
Gli sferoidi tumorali tridimensionali (3D) sono utilizzati nella ricerca sul cancro come modello più accurato del microambiente tumorale in vivo, rispetto alla tradizionale coltura cellulare bidimensionale (2D). Il modello sferoidale è in grado di imitare gli effetti dell'interazione cellula-cellula, dell'ipossia e della privazione di nutrienti e della penetrazione dei farmaci. Una caratteristica di questo modello è lo sviluppo di un nucleo necrotico, circondato da un anello di cellule arrestate G1, con cellule proliferanti sugli strati esterni dello sferoide. Di interesse nel campo del cancro è il modo in cui diverse regioni dello sferoide rispondono alle terapie farmacologiche e alla manipolazione genetica o ambientale. Descriviamo qui l'uso del sistema FUCCI (Fluorescence Ubiquitination Cell cycle Indicator) insieme alla citometria e all'analisi delle immagini utilizzando software commerciali per caratterizzare lo stato del ciclo cellulare delle cellule rispetto alla loro posizione all'interno degli sferoidi del melanoma. Questi metodi possono essere utilizzati per monitorare i cambiamenti nello stato del ciclo cellulare, nell'espressione genica/proteica o nella vitalità cellulare in diverse sottoregioni degli sferoidi tumorali nel tempo e in diverse condizioni.
Sferoidi multicellulare 3D sono stati conosciuti come un modello di tumore per decenni, ma è solo di recente che sono venuti in uso più comune come un modello in vitro per molti tumori solidi. Essi sono sempre più utilizzati in high-throughput schermi scoperta di nuovi farmaci come intermedio tra complessi, costosi e in modelli in vivo che richiede tempo e il semplice, il modello 2D monostrato basso costo 1-6. Gli studi in coltura 2D sono spesso incapaci di replicare in vivo. Modelli sferoidali di molti tipi di cancro sono in grado di imitare le caratteristiche di crescita, la sensibilità ai farmaci, di penetrazione della droga, interazioni cellula-cellula, disponibilità limitata di ossigeno e nutrienti e lo sviluppo di necrosi che si vede in vivo nei tumori solidi 6-11. Spheroids sviluppano un nucleo necrotico, una regione arrestato quiescente o G1 che circonda il nucleo, e le cellule proliferanti alla periferia dello sferoide 7. Lo sviluppo di queste regionipuò variare a seconda della densità cellulare, tasso di proliferazione e la dimensione dello sferoide 12. E 'stato ipotizzato che l'eterogeneità cellulare visto in queste diverse sotto-regioni può contribuire a cancro resistenza alla terapia 13,14. Pertanto, la capacità di analizzare le cellule in queste regioni è parte fondamentale per la comprensione risposta ai farmaci tumorali.
Il sistema di indicatori del ciclo cellulare fluorescenza ubiquitination (FUCCI) si basa sul rosso (Kusabira Orange - KO) e verde (Azami verde - AG) il tagging fluorescente CDT1 e Geminin, che vengono degradati nelle diverse fasi del ciclo cellulare 15. Così nuclei delle cellule appaiono di colore rosso in G1, gialli in S e verde in S / G2 / M di fase. Descriviamo qui due metodi complementari sia con FUCCI per identificare il ciclo cellulare, insieme con l'uso di software di imaging o di un flusso di colorante diffusione citometria test per determinare se le cellule risiedono nel centro G1 arrestato o proliferatin esternog anello, e la distanza delle singole cellule dal bordo dello sferoide. Questi metodi sono stati sviluppati nella nostra pubblicazione precedente, dove abbiamo dimostrato che le cellule di melanoma nelle regioni ipossiche nel centro dello sferoide e / o in presenza di terapie mirate sono in grado di rimanere in G1 arresto per lunghi periodi di tempo, e può ri- entrare nel ciclo cellulare in cui condizioni più favorevoli emergono 7.
1. FUCCI trasduzione e colture cellulari
2. 3D Spheroid Formazione (come descritto in precedenza 3,9)
3. Spheroid Vibratome sezionamento
4. confocale Image Acquisition
5. Hoechst Dye Diffusion Assay for Flow Ordinamento
6. Citometria a flusso Analisi di Hoechst Stained Fucci Spheroids
Analisi 7. Immagine di FUCCI sferoide Sezioni
Esistono diversi metodi per produrre sferoidi tumorali, questo protocollo utilizza il metodo di crescita non aderente, in cui le cellule sono coltivate su agar o 3,7,9 agarosio. La Figura 1 mostra un esempio di uno sferoide C8161 melanoma dopo 3 giorni su agar. Sferoidi C8161 formano sferoidi di dimensioni regolari con un diametro di 500 - 600 micron (media = 565, DS = 19, n = 3) dopo 3 giorni. Altre linee di cellule di melanoma che formeranno sferoidi includono: WM793, WM983C, WM983B, WM164, 1205lu (sferoidi formati con questa linea cellulare sono irregolari e meno densa 19).
Per visualizzare il ciclo cellulare delle singole cellule all'interno del modello sferoide 3D, cellule di melanoma C8161 sono state trasdotte con il sistema FUCCI 7,15. A causa delle grandi dimensioni degli sferoidi (fino a 1 mm di diametro dopo 3 giorni su agarosio e 24 ore di crescita in collagene per C8161), sezionamento è la migliore opzione per visualizzare le cellule al centro dello sferoide. Totalesferoidi (vivi o fissi) possono essere esposte mediante microscopia confocale, tuttavia la confocale è solo in grado di penetrare fino a circa 150 micron, quindi una fetta ottica mezzo dello sferoide può essere ottenuto soltanto in sferoidi di diametro inferiore a 300 micron. Figura 2A, B e C mostra un esempio di una sezione di una sferoide C8161 FUCCI. Un nucleo necrotico, circondato da cellule G1 arrestato, con un gradiente di cellule proliferanti negli strati esterni è evidente. Per identificare e quantificare le cellule in base alla loro posizione nello stato sferoide e del ciclo cellulare, è stata eseguita semi-automatico di analisi dell'immagine. La figura 2D mostra la maschera cellulari e sferoide contorno FUCCI, e la Figura 2E mostra la quantificazione del numero di rosso (G1) e (S / G2 / M) cellule verdi o giallo o meno di 80 micron dal bordo dello sferoide (cellule esterne) o superiore a 80 micron dal bordo sferoide (cellule interne). Questo quantificatiacceso indica che le cellule rosse G1 sono notevolmente arricchito nella regione interna dello sferoide, come previsto.
Al fine di identificare e potenzialmente ordinare le celle in base allo stato del ciclo cellulare e la posizione nel sferoide, è stato utilizzato un saggio colorante diffusione Hoechst in combinazione con il sistema di FUCCI. Incubazione di sferoidi interi coi risultati colorante Hoechst in una limitata diffusione del colorante in gli strati esterni del sferoide, questo può essere utilizzato per separare le cellule positive strato esterno Hoechst dalla Hoechst cellule sferoidali interne negative tramite citometria di flusso. Figura 2F mostra la penetrazione di Hoechst fino a circa 80 micron dal bordo sferoide. La Hoechst distanza positività di 80 micron dal bordo è stata ottenuta mediante analisi visiva delle sezioni sferoidali e ottimizzazione del tempo concentrazione di colorante e incubazione in modo che la penetrazione Hoechst strettamente marcato le cellule proliferanti negli strati esterni (che sono largamente presenti menodi 80 micron dal bordo), e non penetrare nella G1 arrestati zona.L tempo di incubazione con Hoechst può essere variato per ottenere una penetrazione più profonda o meno profonda. Un esempio di variare la penetrazione Hoechst nel tempo mostrato in figura 3. Figura 4A illustra un esempio di gating per Hoechst popolazioni alte e basse, mentre la Figura 4C e D dimostra il gating per globuli rossi, gialli e verdi Fucci. Figura 4B mostra la quantificazione il numero di globuli rossi (G1) e (S / G2 / M), le cellule verdi o giallo sia nelle cellule (esterne) Hoechst alte o basse (cellule interne) Hoechst. Anche questa tecnica dimostra che le cellule rosse G1 viene arricchita nella regione interna dello sferoide (cfr. Similitudine all'analisi immagine della Figura 2E).

Figura1:. C8161 Spheroid contrasto di fase immagine Rappresentante prese a 10X di ingrandimento di uno sferoide C8161 dopo 3 giorni la cultura su agar. Barra della scala è uguale a 100 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2:. C8161 FUCCI Spheroid Image Analysis immagine Rappresentante di un C8161 FUCCI sferoide vibratome sezione presa a 20X di ingrandimento. Spheroid è stato coltivato per tre giorni in agarosio, poi un ulteriore 24 ore in matrice di collagene. Confocale z-fetta di (A) Azami Verde, (B) Kusabira Orange2 e (C) FUCCI sovrapposizione. Barra di scala = 100 micron. (D) le maschere oggetto rosso e verdi creati in Volocity, con il contorno sferoide in grigio. Arriga indica 80 micron distanza dal bordo sferoide. (E) La quantificazione dei numeri di rosso (G1) e giallo (S / G2 / M) cellule / verde all'interno interna (> 80 micron dal bordo sferoide) ed esterno (<80 micron dal bordo sferoide) regioni. Barre di errore rappresentano la SD da 4 sezioni sferoidali da 2 esperimenti indipendenti. (F) La penetrazione di 10 micron Hoechst colorante dopo 1,5 ore di incubazione. Scala bar = 100 micron. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3:. C8161 Spheroid Hoechst Dye Diffusione Andamento temporale confocale rappresentante immagini z-fetta a partire dalla metà di tutta la C8161 Spheroids coltivati su agarosio per 4 giorni e incubate con 10 pM Hoechst per i tempi indicati. Prese a 10X di ingrandimento. Le barre bianche indicano la profondità di penetrazione approssimativa Hoechst. Si noti che sferoidi C8161 agarosio sono più densi sferoidi C8161 che sono stati impiantati in collagene per 24 ore in figura 2, con conseguente minore tingere penetrazione nello stesso punto tempo. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4:. C8161 FUCCI Spheroid flusso Analysis (A) Esempio di Hoechst alta e bassa gating dopo incubazione di 20 sferoidi con 10 micron Hoechst. Linea blu indica il controllo senza macchia, linea verde indica un controllo Hoechst completamente macchiato. (B) Quantificazione del numero di globuli rossi e verde / giallo in quella interna (Hoechst basso) ed esterna (Hoechst alto) populations. Barre di errore rappresentano la SD da 8 esperimenti indipendenti (compresi sia dal vivo di selezione e analisi delle cellule fissa). Esempio di FUCCI gating per l'interno (C) ed esterno (D) le popolazioni sferoidali. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
PerkinElmer ha contribuito ai costi di pubblicazione.
Descriviamo due metodi complementari utilizzando l'indicatore del ciclo cellulare di ubiquitinazione a fluorescenza (FUCCI) e l'analisi delle immagini o la citometria a flusso per identificare e isolare le cellule nelle regioni interne G1 arrestate e proliferanti esterne degli sferoidi 3D.
Ringraziamo la signora Danae Sharp e la signora Sheena Daignault per l'assistenza tecnica. Ringraziamo il Dr. Atsushi Miyawaki, RIKEN, Wako-city, Giappone, per aver fornito i costrutti FUCCI, il Dr. Meenhard Herlyn e la signora Patricia Brafford, The Wistar Institute, Philadelphia, per aver fornito le linee cellulari, l'Imaging and Flow Cytometry Facility presso il Centenary Institute per l'eccezionale supporto tecnico. Ringraziamo il Sig. Chris Johnson e il Dr. Andrew Barlow per il supporto tecnico del software Volocity. N.K.H. è un Cameron fellow del Melanoma and Skin Cancer Research Institute, Australia. K.A.B. è membro del Cancer Institute New South Wales (13/ECF/1-39). W.W. è membro del Cancer Institute New South Wales (11/CDF/3-39). Questo lavoro è stato sostenuto dalle sovvenzioni dei progetti RG 09-08 e RG 13-06 (Cancer Council New South Wales), 570778 e 1051996 (Priority-driven collaborative cancer research scheme/Cancer Australia/Cure Cancer Australia Foundation), 08/RFG/1-27 (Cancer Institute New South Wales) e APP1003637 and APP1084893 (National Health and Medical Research Council).
| Hoechst 33342 | Life Technologies | H3570 | |
| agarosio a basso punto di fusione | Life Technologies | 16520-050 | Per il sezionamento |
| di agar nobile | Sigma | A5431 | Per la produzione di sferoidi |
| agarosio per sferoidi | Fisher Scientific | BP1356-100 | Per la produzione di sferoidi |
| 0,05% tripsina/EDTA | Life Technologies | 25300-054 | |
| HBSS | Life Technologies | 14175-103 | |
| 10% formalina | Sigma | HT5014-1CS | ATTENZIONE: Nocivo, corrosivo. Utilizzare dispositivi di protezione individuale, fare non respirare i fumi (aprire in una cappa aspirante). |
| vivo/morto vicino a IR | Life Technologies | L10119 | |
| vibratomo | Technical Products International, Inc | ||
| coppa di coltura | Thermo-Fisher Scientific | SIE936 | Stampo per il sezionamento di sferoidi |
| emocitometro | Sigma | Z359629 | |
| piastra per coltura tissutale a 96 pozzetti | FAL353072 | ||
| collagenasi | Sigma | C5138 | |
| microscopio confocale | Leica | TCS SP5 | |
| Citometro a flusso analizzatore | Becton Dickinson | LSRFortessa | |
| volocity | PerkinElmer | Software di imaging | |
| flowjo | Tree Star | Software di citometria a flusso | |
| Grasso al consumo | Sigma | Z273554 | |
| Mezzi di montaggio | Vector Laboratori | H1000 | |
| FUCCI (costrutti commerciali) | Life Technologies | P36238 | Solo trasfezione transitoria |
| Filtro cellulare 70 μ m | In Vitro | FAL352350 | |
| Provette da 5 ml a fondo tondo (sterili) | In | Vitro FAL352003 | |
| Provette da 5 ml a fondo tondo (non sterili) | In | FAL352008 |