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Research Article
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
ここで提示される、スフェロイドイメージング装置の製造のためのプロトコルである。この装置は癌細胞スフェロイドの動的または縦方向の蛍光のイメージ投射を可能にする。プロトコルはまた癌細胞の浸潤の分析のための簡単な画像処理手順を提供する。
原発性腫瘍から隣接する健康組織への癌細胞の侵入は、転移の初期段階である。浸潤性癌細胞は、播種が進行すると排除するための効率的な方法が存在しないため、大きな臨床的課題を提起する。がん細胞の浸潤を調節するメカニズムをよりよく理解することは、新しい強力な治療法の開発につながる可能性があります。その生理学的に腫瘍に類似しているため、コラーゲンIに埋め込まれたスフェロイドは、細胞外マトリックス(ECM)への癌細胞浸潤を支配するメカニズムを研究するために研究者によって広く利用されてきた。しかし、このアッセイは(1)ECMへのスフェロイドの埋め込みに対する制御の欠如によって制限される。(2)コラーゲンIおよびガラス底皿の高コスト、(3)信頼性の低い免疫蛍光標識、抗体および蛍光色素の非効率的な浸透及び(4)時間のかかる画像処理及びデータの定量。これらの課題に対処するために、3次元(3D)スフェロイドプロトコルを最適化し、コラーゲンIに埋め込まれた蛍光標識癌細胞を、タイムラプスビデオまたは縦断イメージングを使用して画像化し、癌細胞の浸潤を分析しました。まず、スフェロイドを確実に、かつ最小限のコラーゲンI体積に埋め込むスフェロイドイメージング装置(SID)の製造を説明し、アッセイコストを低減する。次に、生および固定スフェロイドのロバスト蛍光標識のステップを説明します。最後に、画像処理とデータ定量のための使いやすいフィジーマクロを提供します。全体として、この単純な方法論は、コラーゲンIの癌細胞浸潤を監視するための信頼性の高い、手頃な価格のプラットフォームを提供します。さらに、このプロトコルはユーザーのニーズに合わせて簡単に変更できます。
癌進行の間に、癌細胞は、運動性および侵襲的表現型を獲得することができ、腫瘍塊を逃れ、周囲の組織1に侵入することを可能にする。最終的には、これらの浸潤性癌細胞は、二次器官内に到達して増殖し、癌転移1と呼ばれるプロセスである。転移は癌関連死の90%以上を引き起こす2.その理由の1つは、局所的な腫瘍は臨床的に管理可能であるが、転移性広がりに一度起こった後に浸潤癌細胞を排除するための効率的な方法が存在しないことです。したがって、浸潤性癌細胞の出現と、局在性から侵襲的な疾患への移行は、大きな臨床的課題を提起している。がん細胞が侵襲的な行動をどのように開始し、維持するかを決定することは、新しい強力な治療法の開発につながる可能性があります。
3Dスフェロイドモデルは、制御下にある癌細胞の運動性挙動を調査するのに理想的なプラットフォームであり、しかも生理学的に関連する条件3.実際、このアッセイでは、癌細胞のスフェロイドが細胞外マトリックス(ECM)の内部に埋め込まれている、例えばコラーゲンIは、単純化された腫瘍を模倣する。次いで、イメージングを使用して、スフェロイドからコラーゲンマトリックスへの癌細胞の浸潤を可視化する。ただし、複数の課題によってこの手順が制限されます。
最初の課題は、液体コラーゲンマトリックスが皿表面全体に広がり、回転楕円体が皿の底に触れる埋め込みステップで起こります。その結果、回転楕円体の細胞が2次元(2D)表面に広がり、3次元(3D)回転楕円体形態を破る。コラーゲンの量を増やすことは効率的ですが、コストのかかるソリューションです。細胞が2D表面に広がるのを防ぐために、コラーゲンの最小量を維持しながら、ガラス底皿に1mmの厚さ、3穴のポリジメチルシロキサン(PDMS)インサートを囲むスフェロイドイメージング装置(SID)を開発しました。
スフェロイドアッセイの第2の課題は、抗体および蛍光色素の浸透不良によって制限されるスフェロイドにおける癌細胞の標識であり、スフェロイドサイズに伴って増大する効果である。細胞の標識に理想的なソリューションは、安定して蛍光タンパク質を発現する細胞株の確立であるが、このオプションは、ほとんどが不死化細胞株に限定され、蛍光タンパク質キメラの入手可能性によって制限される。ここでは、固定スフェロイドの免疫蛍光染色に最適化されたプロトコルと、球状体を埋め込む直前に細胞にラベルを付ける細胞質色素の効率的な使用について述べています。
スフェロイドアッセイの3番目の課題は、時間の経過に関する細胞浸潤の半自動化定量化のための単純なフィジーマクロの欠如です。この課題に対処するために、時間の経過に合ったスフェロイド領域を分析する簡単な方法論を説明します。例として4T1および67NRセルラインを用いて、このプロトコルの利点を説明する。
1. スフェロイド埋め込みを最適化するためのスフェロイドイメージングデバイス(SID)の製作(所要時間1日)
2. スフェロイド形成とコラーゲンへの埋め込み(所要時間4日間)
注:縦方向またはタイムラプスビデオで、スフェロイドのライブイメージングには、細胞質および/または核蛍光タンパク質を発現する細胞株を使用してください。このようなセルラインが使用可能な場合は、このセクションで説明する手順に従います。あるいは、セクション3では、細胞質染料を用いてスフェロイド中の癌細胞に標識するプロトコルが提案されている。
3. スフェロイドの蛍光標識
4. 時間の経過に関するがんの侵入を分析する画像処理
注: このマクロに必要なフォーマットは、.tiffファイルとして保存された単一チャネルの X、Y、t イメージです。
PDMSは生体適合性により、微細パターン化やマイクロ流体デバイスに革命を起こした閉じ込め井戸、スタンプ、金型の微細加工に広く使用されています。ここで説明する方法では、スフェロイド埋め込みおよびイメージング手順を最適化する、カスタマイズ可能なウェルであるSIDを作成するために使用されます。図 1は、SID の製造に使用される主要なコンポーネントを示しています。PDMSモールドを鋳造するために、厚さ1mmのスペーサを3Dプリント(図1A、B)で、2枚のガラスプレートの間に配置し、大きなクリップで密封します。プレート間のスペースにPDMSを注ぎ、焼き付け、1mm厚いPDMSを形成する。SID回路図(図1C)は、最適なデバイスの寸法を示し、しかし、バイオプシーパンチを使用して穴のパンチを手動で打ち抜くので、穴の距離にわずかな変動が生じる(図1D)。図 1D,Fは、PDMS インサート内に等間隔の穴があるクリーンな円形カットを示しています。
このSIDを使用すると効率的な埋め込みが容易になり、それゆえ、タイムラプス(図2、ビデオ1)または縦方向(図3)イメージングを用いて、コラーゲンI内部の癌細胞の浸潤を記録する。コラーゲンI重合中に全てのSIDに対して同じ反転周波数を使用しているにもかかわらず、コラーゲンプラグ内部のスフェロイド位置はわずかに変化する。したがって、長い作業距離(>1 mm)で目標を使用することが重要です。それ以外の場合、コラーゲンプラグの上部に近い位置に配置されたスフェロイドの場合、焦点を合わせ、イメージングすることは困難である可能性があります。対照的に、コラーゲンプラグの底部に近い位置に配置されたスフェロイドは、コラーゲンIマトリックスに侵入するのではなく、ガラス表面に移動してガラス上に移動する細胞を有するであろう。このようなスフェロイドのビデオは破棄する必要があります。コラーゲンプラグの厚さは、ここで約800μm、SIDの各穴に分配される体積によって制御され、このプロトコルで示されるスフェロイドの浸入距離に調節される。コラーゲンプラグの厚さは、より小さいまたはより少ない侵襲性のスフェロイドを使用する場合、SIDの各穴にコラーゲンIの低い体積を分配することによって低下させることができる。
フィジーマクロを使用した侵入の適切な分析のためには、イメージングセッションの過程で癌細胞に適切な標識が設定されていることが重要です。ステップ4.17で述べたように、画像処理ステップは、ラベリングが最適でない場合に画像補正を可能にする。6日間の間に縦断イメージングを示していますが(図3)、細胞質および核蛍光タンパク質の安定な発現を必要とするが、同様の縦断イメージングは、染料による標識を用いてより短時間で行うことができる。
ライブイメージングの後、上皮カドヘリン(E-カドヘリン)、コルタクチンおよびF-アクチンの免疫標識手順からいくつかの結果を提示する(図4)。これらの例では、4T1および67NRセルラインを使用しました。 図 5 は、フィジー マクロを使用して回転楕円体の面積を時間の経過に従って測定する画像処理手順の手順を示しています。

図1:SIDの製作(A) スペーサーのトップビューの概略表現。(B)3D プリントスペーサー。(C) SID のトップ ビューの概略図を表示します。3ホールのPDMSインサート(D)はガラス底皿(E)に結合され、最終SID(F)を作成します。寸法はミリメートル単位です。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:スフェロイドのライブイメージング。ビデオ1から20時間および40時間のタイムポイントを代表し、4T1スフェロイドの最大投影。4T1細胞は、細胞質染料を用いて標識した。スケールバー、100 μm. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:スフェロイドの縦方向イメージング。毎日画像化された混合4T1/67NRスフェロイドの代表的な顕微鏡写真(最大投影)。4T1および67NR細胞は、それぞれ細胞質mScarletおよび緑色蛍光タンパク質(GFP)を安定的に発現する。スケールバー、100 μm. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:スフェロイドの蛍光イメージング4T1スフェロイド固定の代表的な顕微鏡写真(最大投影)は、コラーゲンI.Eカドヘリン(シアン、A)、コルタクチン(黄色、B)およびFアクチン(マゼンタ、AおよびB)に埋め込んだ2日後に固定された。スケールバー、100 μm. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:画像処理解析フィジーマクロ(A)を使用して、時間の経過に伴う回転楕円体の面積を測定する画像処理手順のステップバイステップの図(B) この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
ビデオ1:46時間及び10分毎に10分毎に画像化された4T1スフェロイドの代表的な映像を、細胞質色素を用いて標識した。 スケールバー、100 μm. このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 1: スペーサーの 3D モデル (STL ファイル)。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 2: SpheroidAreaTime マクロ。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
著者らは開示するものは何もない。
ここで提示される、スフェロイドイメージング装置の製造のためのプロトコルである。この装置は癌細胞スフェロイドの動的または縦方向の蛍光のイメージ投射を可能にする。プロトコルはまた癌細胞の浸潤の分析のための簡単な画像処理手順を提供する。
テンプルバイオエンジニアリングの会員の皆様に貴重なご意見をお寄りいただき、ありがとうございました。私たちは、フローサイトメトリーコア(ルイス・カッツ医学部)のデビッド・アンブローズが細胞選別を支援し、IDEASハブ(テンプル大学工学部)のトニー・ベームが3Dプリンティングを手伝ってくれたことに感謝します。我々はまた、我々の資金資源に感謝します:アメリカ癌学会研究学者グラント134415-RSG-20-034-01-CSM、今すぐがんを征服/若い研究者賞、国立衛生研究所、R00 CA172360とR01 CA230777、すべてBGに感謝します。
| 1 N NaOH | ハネウェル フルカ | 60-014-44 | |
| 10X ダルベッコ 'リン酸緩衝生理食塩水(PBS) | Gibco | SH30028.LS | |
| 16%パラホルムアルデヒド(PFA) | Alfa Aesar | 43368-9M | |
| 1X Dulbecco'リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) | Gibco | 20012027 | |
| 4',6-ジアミジノ-2-フェニルインドール (DAPI) | Invitrogen | D1306 | |
| 48-well plate | Falcon | T1048 | |
| Alexa Fluor 647 phalloidin | Life Technologies | A20006 | |
| 抗コルタクチン抗体 | Abcam | ab33333 | 1 to 200 希釈 |
| 抗E-カドヘリン抗体 | Invitrogen | 13-1900 | 1 から 100 希釈の |
| ウシ アテロコラーゲン I 溶液 (Nutragen) | Advanced Biomatrix | 501050ML | |
| ウシ血清アルブミン (BSA) | シグマ アルドリッチ | A4503-50G | |
| CellTracker レッド CMTPX 色素 | Invitrogen | C34552 | |
| 円錐管 | ファルコン | 352095 | |
| カバースリップ | フィッシャーブランド | 12-548-5E | |
| 使い捨て容器 | ステープル | プラスチックカップ | |
| 使い捨てトランスファーピペット | サーモサイエンティフィック | 202 | |
| DMEM | フィッシャーサイエンティフィック | 11965118 | |
| 両面テープ | スコッチ | ||
| エタノール | シグマ アルドリッチ | E7023-500ML | |
| ウシ胎児血清(FBS) | Bio-Techne | S11550 | |
| Fluoromount-G | eBioscience | 00-4958-02 | |
| グルタルアルデヒド | Sigma Aldrich | G5882-100mL | |
| Hoescht nuclear stain | Thermo Fischer | 62249 | |
| Isopropanol | Thermo Fischer | S25371A | |
| MatTek ディッシュ (ガラスボトムディッシュ) | MatTek株式会社 | P35G-1.5-14-C | |
| メチルセルロー | スシグマアルドリッチ | M6385-100G | |
| MilliQ水 | |||
| ペニシリン/ストレプトマイシン溶液 | サーモフィッシャー | 15140122 | |
| シャー | レコーニング | 353003 | |
| ピペットチップ | フィッシャーブランド | 02-707 | |
| ペット | Gilson | F167300 | |
| Poly-L-Lysine | Sigma | P8920 | |
| 一次抗体、ユーザー専用 | |||
| ラットテールコラーゲン I | Corning | 47747-218 | |
| Razor Blade | Personna | 74-0001 | |
| 二次抗体、ユーザー専用 | |||
| スライド | Globe Scientific | 1354W-72 | |
| シルガード 184 シリコン | ダウ コーニング | 4019862 | |
| テープ | スコッチ | ||
| トリトン X100 | シグマ アルドリッチ | 10789704001 | |
| トゥイーン 20 | シグマ アルドリッチ | 655204-100ML |