Qui, descriviamo in dettaglio un semplice approccio di imaging dal vivo per quantificare la sensibilità degli organoidi tumorali derivati da pazienti alle radiazioni ionizzanti.
Articolo metodologico
* These authors contributed equally
Qui, descriviamo in dettaglio un semplice approccio di imaging dal vivo per quantificare la sensibilità degli organoidi tumorali derivati da pazienti alle radiazioni ionizzanti.
La radioterapia (RT) è uno dei pilastri della moderna gestione clinica del cancro. Tuttavia, non tutti i tipi di cancro sono ugualmente sensibili all'irradiazione, spesso (ma non sempre) a causa delle differenze nella capacità delle cellule maligne di riparare il danno ossidativo al DNA provocato dai raggi ionizzanti. I saggi clonogenici sono stati impiegati per decenni per valutare la sensibilità delle cellule tumorali in coltura alle radiazioni ionizzanti, in gran parte perché le cellule tumorali irradiate spesso muoiono in modo ritardato che è difficile da quantificare con tecniche di citometria a flusso a breve termine o tecniche assistite da microscopia. Sfortunatamente, i saggi clonogenici non possono essere impiegati come tali per modelli tumorali più complessi, come gli organoidi tumorali derivati da pazienti (PDTO). Infatti, l'irradiazione di PDTO stabiliti potrebbe non necessariamente abrogare la loro crescita come unità multicellulari, a meno che il loro compartimento simile a uno stelo non sia completamente sradicato. Inoltre, l'irradiazione di sospensioni di singole cellule derivate da PDTO potrebbe non ricapitolare correttamente la sensibilità delle cellule maligne alla RT nel contesto di PDTO stabiliti. Qui, descriviamo in dettaglio un adattamento dei saggi clonogenici convenzionali che prevede l'esposizione di PDTO stabiliti a radiazioni ionizzanti, seguita da dissociazione di singole cellule, replating in condizioni di coltura adeguate e imaging dal vivo. Le cellule staminali non irradiate (di controllo) derivate da PDTO riformano i PDTO in crescita con un'efficienza PDTO-specifica, che è influenzata negativamente dall'irradiazione in modo dose-dipendente. In queste condizioni, l'efficienza e il tasso di crescita della PDTO possono essere quantificati come misura della radiosensibilità su immagini time-lapse raccolte fino a quando i PDTO di controllo non raggiungono un'occupazione di spazio predefinita.
La radioterapia a fasci esterni (RT) è uno dei pilastri dell'oncologia moderna, che riflette non solo una pronunciata attività antitumorale associata a uno spettro ben definito di effetti collaterali generalmente gestibili1, ma anche una disponibilità clinica eccezionalmente diffusa (la maggior parte dei centri oncologici nei paesi sviluppati è dotata di moderni acceleratori lineari per RT a fascio esterno)2. In linea con questa nozione, la RT è impiegata con successo a livello globale sia per scopi curativi, generalmente nel contesto della malattia in stadio iniziale 3,4, sia per applicazioni palliative, per contenere i sintomi (ad esempio, il dolore) dei tumori metastatici5. Detto questo, non tutte le neoplasie maligne sono ugualmente sensibili alla RT, riflettendo una serie di caratteristiche intrinseche delle cellule tumorali e microambientali 6,7,8,9. Come esempio autonomo, varie alterazioni genetiche ed epigenetiche associate al cancro che influenzano la riparazione del DNA e l'omeostasi redox sono state associate a un aumento o una diminuzione della radiosensibilità intrinseca, riflettendo in gran parte la capacità della RT di uccidere le cellule tumorali causando danni diretti e reattivi dipendenti dalle specie dell'ossigeno (ROS) al DNA e ad altre macromolecole 10,11,12,13.
Negli ultimi decenni, i saggi clonogenici sono stati impiegati di routine per valutare la radiosensibilità di cellule tumorali umane e murine in coltura 14,15,16. Infatti, mentre i chemioterapici e altri fattori di stress spesso uccidono le cellule maligne in modo abbastanza rapido, la RT impiegata a dosi clinicamente rilevanti il più delle volte suscita una forma ritardata di morte cellulare che non può essere semplicemente quantificata con tecniche di citometria a flusso a breve termine o assistite da microscopia, come la misurazione dell'assorbimento cellulare di coloranti vitali (che colorano selettivamente le cellule morte) 24-72 ore dopo l'esposizione a uno stimolo citotossico17. Oltre ad essere semplici e a fare affidamento su reagenti piuttosto economici, i saggi clonogenici sono stati particolarmente convenienti in quanto consentono l'implementazione del cosiddetto modello "quadratico lineare", che è uno strumento matematico abbastanza semplice per l'analisi quantitativa della risposta alla dose di RT18,19. Analogamente, le cellule tumorali in coltura (comprese le linee cellulari consolidate e le cellule primarie derivate da pazienti) hanno fornito una piattaforma conveniente per testare vari aspetti della biologia del cancro, tra cui (ma non solo) la sensibilità al trattamento in modo piuttosto semplice ma semplificato, una delle principali limitazioni è l'assenza di un microambiente tumorale strutturato (TME)20, 21. Infatti, le colture di cellule tumorali bidimensionali sono intrinsecamente incapaci di ricapitolare le comunicazioni cellula-cellula e le interazioni con la matrice extracellulare e come si verificano nel cancro22,23. Gli organoidi tumorali derivati da pazienti (PDTO) sono emersi come modelli tumorali che almeno in parte eludono tale limitazione 24,25,26.
Purtroppo, i saggi clonogenici convenzionali non possono essere impiegati per valutare la radiosensibilità dei PDTO. Da un lato, l'irradiazione di PDTO stabiliti potrebbe non compromettere necessariamente la loro crescita come unità multicellulare, a meno che il loro compartimento staminale - che è responsabile della formazione e della maturazione dei PDTO ma mostra una maggiore resistenza al danno del DNA rispetto alle cellule che compongono PDTO27 più differenziate - non sia completamente sradicato. D'altra parte, l'irradiazione di sospensioni di singole cellule derivate da PDTO potrebbe non ricapitolare correttamente la radiosensibilità delle cellule che compongono PDTO (comprese le cellule staminali) come mostrato nel contesto dei PDTO formati. Qui, descriviamo in dettaglio una tecnica che sfrutta l'imaging dal vivo dei PDTO del cancro al seno per monitorare l'efficacia della formazione di PDTO e il tasso di crescita delle cellule derivate da PDTO precedentemente esposte a radiazioni ionizzanti rispetto alle loro controparti non irradiate. Poiché le variazioni richieste riflettono in gran parte la biologia differenziale dei singoli PDTO (ad esempio, requisiti di terreni di coltura, tasso di crescita), ci aspettiamo che questo protocollo sia adatto per lo studio della radiosensibilità in un ampio pannello di PTDO di origine sia mammaria che non mammaria.
I reagenti e le attrezzature utilizzate nello studio sono elencati nella Tabella dei materiali.
1. Coltura di organoidi
NOTA: I PDTO TNBC#1 sono stati stabiliti nel nostro laboratorio sulla base di tessuto tumorale rimosso chirurgicamente da una paziente con carcinoma mammario triplo negativo (TNBC) che ha fornito il consenso informato a partecipare a un protocollo di biobanca (IRB21-06023682). Dopo la convalida mediante istologia e sequenziamento dell'RNA (RNAseq), i PDTO TNBC#1 vengono coltivati in gocce matrigel al 66% (le cosiddette "cupole") in terreno di coltura arricchito DMEM/F12 (Tabella 1) e fatti passare ogni 2-3 settimane con un rapporto 1:2-1:1028.
2. Radiazioni
3. Dissociazione
4. Imaging dal vivo
5. Analisi
I PDTO TNBC#1 sono stati esposti a una singola dose di radiazioni di 0 (controlli non irradiati), 2 Gy, 4 Gy, 6 Gy, 8 Gy o 10 Gy il giorno 0. Subito dopo, i PDTO sono stati dissociati per ottenere una sospensione a singola cellula per ogni condizione sperimentale. Le cellule derivate da PDTO sono state successivamente seminate in piastre da 48 pozzetti all'interno del 66% di cupole matrigel (50 μL ciascuna) depositate al centro dei pozzetti, in 3 repliche tecniche per condizione. Le piastre sono state inserite in un sistema di imaging dal vivo e sottoposte a imaging ogni 6 ore utilizzando l'obiettivo 4X del modulo organoide per un totale di 30 giorni. L'irradiazione dei PDTO TNBC#1 con RT in una singola dose di 2 Gy ha ritardato significativamente la ricrescita dei PDTO, mentre le dosi di radiazioni ≥4 Gy (fino a 10 Gy) completate hanno impedito la rigenerazione dei PDTO in crescita (Figura 1).

Figura 1: Imaging dal vivo di organoidi tumorali derivati da pazienti (PDTO). Gli organoidi tumorali (PDTO) derivati da pazienti con TNBC#1 per il carcinoma mammario non sono stati trattati o esposti alla dose di radiazioni indicata, seguiti a breve distanza dalla dissociazione, dal replating e dall'imaging con un sistema di imaging di cellule vive. Vengono riportate immagini rappresentative in seguito alla regolazione del contrasto (A) e alle valutazioni quantitative (B, media ± SEM). Scala dell'immagine: 1,19 x 1,16 mm (1,38 mm2). Barra di scala: 400 μm; inserti: 200 μm. ****p < 0,001 (ANOVA a due vie, rispetto a 0 Gy); ####p < 0,001 (ANOVA a due vie, rispetto a 2 Gy). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Componente | Concentrazione |
| DMEM F/12 | 1X |
| GlutaMax | 1X |
| Hepes | 10 mM |
| PenStrep | 100 U/mL |
| B27 | 1X |
| Nac | 1,25 mM |
| Nicotinammide | 10 mM |
| inibitore del recettore del TGFbeta A83-01 | 0,5 μM |
| Inibitore della MAP p38 p38i SB202190 | 1 μM |
| Zucca | 10% |
| Rspondin Media | 10% |
| FGF10 | 20 ng/mL |
| FGF7 | 5 ng/mL |
| NR (Heregulin) | 5 nM |
| Primocina | 100 μg/mL |
| Y-27632 (RhoKi) | 5 μM |
| Fattore di crescita epidermico hEGF | 5 ng/mL |
Tabella 1: Composizione del terreno di coltura PDTO.
Qui, descriviamo un adattamento di saggi clonogenici convenzionali che sfrutta i PDTO del cancro al seno e l'imaging dal vivo per quantificare la radiosensibilità al PDTO in base a (1) la persistenza di cellule staminali che formano PTDO dopo l'irradiazione PDTO in vitro e (2) il tasso di crescita dei PDTO che queste cellule (possono) generare. Le fasi critiche di questo protocollo includono (1) l'istituzione di PDTO per l'occupazione di una cupola che consenta una buona vitalità, (2) l'esposizione del PDTO a radiazioni ionizzanti a diverse dosi, comprese le condizioni di controllo irradiato simulato; (3) dissociazione PDTO in singole cellule; (4) replating di singole cellule derivate da PDTO; e (5) imaging dal vivo fino a un'occupazione predefinita della cupola in condizioni di controllo.
Con modifiche minime, per lo più legate all'efficienza di formazione della PDTO e al tasso di crescita della PDTO in condizioni di controllo (che probabilmente variano considerevolmente tra i diversi PDTO), ci aspettiamo che questo protocollo sia adattabile a più piattaforme di imaging dal vivo disponibili in commercio, nonché a numerosi PDTO, sia di derivazione mammaria che non mammaria. Da un lato, si prevede che l'efficienza di formazione del PDTO al basale dopo la dispersione di una singola cellula influenzi il numero di singole cellule da riseminare per ottenere nuovi PDTO a una densità che consenta non solo la quantificazione del PDTO basata su immagini, ma anche la normale crescita di PDTO non trattati. D'altra parte, si prevede che il tasso di crescita della PDTO influenzi la durata del saggio, poiché la fusione di PDTO adiacenti dovrebbe essere evitata per preservare le capacità analitiche ottimali. Pertanto, determinare l'efficienza di formazione del PDTO e il tasso di crescita del PDTO in condizioni di controllo per ogni singolo PDTO è fondamentale per la corretta implementazione di questo protocollo.
Sebbene questo metodo sia abbastanza semplice, presenta alcune limitazioni. In primo luogo, un numero eccessivamente basso di cellule che formano PDTO può compromettere la rigenerazione di PDTO in crescita normale dopo dissociazione di singole cellule. Infatti, mentre il passaggio di routine della PDTO può essere ottenuto mediante dissociazione incompleta, le valutazioni quantitative, come offerte da questo protocollo, si basano sulla generazione di una sospensione a singola cellula (che può essere confermata visivamente durante il conteggio). In secondo luogo, un tasso di crescita eccessivamente lento può prolungare considerevolmente la durata del test e potenzialmente portare a una stima imprecisa della radiosensibilità. È infatti concepibile che un tempo di coltura prolungato, come richiesto per i PDTO a crescita lenta per raggiungere una dimensione compatibile con il punto finale, possa offrire ulteriori possibilità per le cellule che formano PDTO irradiate in modo subletale di riprendersi dallo stress e ripristinare PDTO rilevabili (anche se a crescita lenta). Infine, si prevede che la dissociazione dei PDTO poco dopo l'irradiazione imponga un ulteriore stress sulle cellule che formano PDTO, aumentando potenzialmente la radiosensibilità a causa di comunicazioni cellula-cellula alterate nelle prime fasi del recupero. Ritardare la dissociazione di 24-72 ore può fornire informazioni sul contributo relativo delle comunicazioni cellula-cellula conservate alla capacità delle cellule che formano PDTO di riprendersi dal danno macromolecolare imposto dalla RT.
Mentre le piattaforme di imaging dal vivo offrono un metodo conveniente per monitorare longitudinalmente la formazione e la crescita della PDTO, le immagini a singolo punto finale possono essere utilizzate anche per lo stesso obiettivo. In questo caso, è necessario prestare attenzione per garantire che i PDTO adiacenti non si fondano prima dell'imaging e che il tasso di crescita possa essere valutato in funzione della dimensione del PDTO normalizzata alla durata del test.
Nell'era della medicina oncologica personalizzata, valutare la sensibilità dei singoli tumori al trattamento è della massima importanza in quanto fornisce alcuni suggerimenti per la progettazione di strategie terapeutiche individualizzate con una migliore efficacia29. Il protocollo qui descritto si inserisce in questo sforzo fornendo un approccio conveniente per stimare la sensibilità cellulare dei singoli PDTO alle radiazioni ionizzanti (da soli o in combinazione con altre modalità terapeutiche). Detto questo, resta da dimostrare se la misurazione della radiosensibilità delle cellule tumorali dai PDTO predice con precisione la risposta dei singoli pazienti con cancro alla RT focale. Correlare la radiosensibilità di PDTO distinti all'irradiazione con la risposta clinica alla RT dei rispettivi donatori fornirà importanti informazioni su questa possibilità.
Indipendentemente da questo lavoro, SCF ha/ha stipulato contratti di ricerca con Merck, Varian, Bristol Myers Squibb, Celldex, Regeneron, Eisai ed Eli-Lilly, e ha ricevuto onorari di consulenza/consulenza da Bayer, Bristol Myers Squibb, Varian, Elekta, Regeneron, Eisai, AstraZeneca, MedImmune, Merck US, EMD Serono, Accuray, Boehringer Ingelheim, Roche, Genentech, AstraZeneca, View Ray e Nanobiotix. Indipendentemente da questo lavoro, SD ha ricevuto onorari di consulenza da Lytix Biopharma, EMD Serono, Ono Pharmaceutical, Genentech e Johnson & Johnson Enterprise Innovation Inc., ed è in possesso di contratti di ricerca con Lytix Biopharma, Nanobiotix e Boehringer-Ingelheim. Indipendentemente da questo lavoro, LG ha/ha avuto contratti di ricerca con Lytix Biopharma, Promontory e Onxeo, ha ricevuto onorari di consulenza/consulenza da Boehringer Ingelheim, AstraZeneca, OmniSEQ, Onxeo, The Longevity Labs, Inzen, Imvax, Sotio, Promontory, Noxopharm, EduCom e Luke Heller TECPR2 Foundation, e detiene stock option su Promontory.
Ringraziamo Raymond Briones e Wen H. Shen (Weill Cornell Medical College, New York, NY, USA) per il loro aiuto nello sviluppo di questo protocollo. Questo lavoro è stato supportato da una sovvenzione del Transformative Breast Cancer Consortium del DoD BCRP degli Stati Uniti (#W81XWH2120034, PI: Formenti).
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 40 & micro; m filtro a rete | Thomas | Scientific 1164H35 | |
| B27 | Invitrogen | 17504-044 | |
| Cellometro Auto T4 Contatore di celle a campo chiaro | Nexcelom | ||
| DMEM F/12 | Corning | 12634-010 | |
| Fattore di crescita epidermico hEGF | Peprotech | AF-100-15 | |
| EVOS FL Microscopio digitale a fluorescenza invertita | Thermo Fisher Scientific | 12-563-460 | |
| FGF10 | Peprotech | 100-26 | |
| FGF7 | Peprotech | 100-19 | |
| GlutaMax | Invitrogen | ||
| Hepes | Invitrogen | 15630-080 | |
| Software IncuCyte 2021A | Sartorius | : 2021A | |
| Incucyte SX1 | Sartorius | modello SX1 | |
| Piastra a 48 pozzetti convalidata Incucyte | Corning | 3548 | |
| Matrigel | Discovery Labware | 354230 | |
| nAc | Sigma Aldrich | A9165-5G | |
| Nicotinamide | Sigma-Aldrich | N0636 | |
| Noggin | Acquistato dall'Englander Institute for Precision Medicine, Weill Cornell, NY, USA | ||
| Piastra a 6 pozzetti non trattata | Cellstar | 657 185 | |
| NR (Heregulin) | Peprotech | 100-03 | |
| p38 Inibitore MAP p38i SB202190 | Sigma Aldrich | S7067 | |
| PBS | Corning | 21-040-CV | |
| PenStrep | Invitrogen | 15140-122 | |
| Primocin | Invivogen | ant-pm-1 | |
| Rspondin Media | Acquistato dall'Englander Institute for Precision Medicine, Weill Cornell, NY, USA | ||
| Piattaforma di ricerca sulle radiazioni per piccoli animali (SARRP) | Xstrahl Ltd | ||
| Inibitore del recettore TGFbeta A83-01 | Tocris | 2939 | |
| Tripano blu Macchia (0,4%) | Gibco | 15250-61 | |
| TrypLE | Gibco | 112605-028 | |
| Y-27632 (RhoKi) | Selleck | S1049 |
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