In vitro 薬剤感受性スクリーニングは、抗がん剤の組み合わせを発見するための重要なツールです。球体で増殖した細胞は、異なるシグナル伝達経路を活性化し、単層細胞株よりも in vivo モデルを代表すると考えられています。このプロトコールは、スフェロイド株の in vitro 薬物スクリーニングの方法を記述しています。
In vitro 薬剤感受性スクリーニングは、抗がん剤の組み合わせを発見するための重要なツールです。球体で増殖した細胞は、異なるシグナル伝達経路を活性化し、単層細胞株よりも in vivo モデルを代表すると考えられています。このプロトコールは、スフェロイド株の in vitro 薬物スクリーニングの方法を記述しています。
In vitro 薬剤感受性スクリーニングは、抗がん剤併用療法の発見において重要なツールです。通常、これらの in vitro 薬物スクリーニングは、単層で増殖した細胞に対して行われます。ただし、これらの2次元(2D)モデルは、3次元(3D)スフェロイド細胞モデルと比較して精度が低いと考えられています。これは特に神経膠腫幹細胞株に当てはまります。球体で増殖した細胞は、異なるシグナル伝達経路を活性化し、単層細胞株よりも in vivo モデルを代表すると考えられています。このプロトコルは、スフェロイド株の in vitro 薬物スクリーニングの方法について説明しています。例として、マウスおよびヒト神経膠腫幹細胞株が用いられます。このプロトコルは、薬物または薬物の組み合わせが細胞死を誘発するかどうか、および2つの薬物が相乗的であるかどうかを決定するために使用できる3Dスフェロイド薬物感受性および相乗効果アッセイについて説明しています。神経膠腫幹細胞株は、RFPを発現するように改変されます。細胞は、低付着性の丸い井底96枚のプレートでめっきされ、球体は一晩で形成される。薬剤を添加し、組織培養インキュベーターに埋め込まれた蛍光顕微鏡であるIncuCyteライブイメージングシステムを使用してRFPシグナルを経時的に測定することにより、増殖をモニタリングします。その後、半値阻害濃度(IC50)、致死量中央値(LD50)、およびシナジースコアを計算して、薬物単独または組み合わせに対する感受性を評価します。このアッセイの3次元性は、 in vivoでの腫瘍の成長、挙動、および薬物感受性をより正確に反映し、さらなる前臨床研究の基礎を形成します。
膠芽腫は、壊滅的な高悪性度の脳腫瘍で、全生存率は5年1です。神経膠芽腫のような高悪性度神経膠腫(HGG)は、小児集団におけるがん関連死亡の主な原因であり2 、成人でも治療が最も困難な腫瘍の1つです3。HGGの分子ドライバーに関する理解は大きく進歩しているにもかかわらず、治療の選択肢は依然として限られており3、臨床における治療感受性をより正確に予測する薬物スクリーニング法の必要性が強調されています。
3D細胞培養は、主に生理学的に関連性のある細胞挙動のモデリングに使用されてきました4。さらに、腫瘍微小環境の3D構造は、3D成長アッセイ5を確立することにより、in vitroで再現することができる。また、スフェロイドの増殖は異なるシグナル伝達経路を活性化するため、2D培養と比較してin vivoモデル6,7をより代表していると考えられています。小児用HGG幹細胞とマウスNF1神経膠腫幹細胞株は、ニューロスフェアとして自然に増殖し、これらのマウスNF1神経膠腫細胞株を中スループットの薬物スクリーニング8で使用しました。ここで使用された小児系統は、半球、正中線、および小脳の小児HGGに由来し、Children's Brain Tumor Network(突然変異および遺伝子発現プロファイル)9から取得され、完全に特徴付けられました。これらの系統は、核の赤色蛍光タンパク質(RFP)を発現するように改変されており、IncuCyteライブイメージングシステムを使用して増殖と生存をモニタリングすることができます。RFPシグナルの強度は、存在する細胞の数を表します。緑色蛍光タンパク質(GFP)などの他の蛍光色素も使用できます。
小児急性リンパ芽球性白血病、リンパ腫、上皮性悪性腫瘍、および他の多くの癌に対する併用化学療法は、腫瘍を根絶し、単剤に対する薬剤耐性を予防する効果的な方法です10,11。しかし、HGGの治療感受性を達成するためにどの薬剤を組み合わせればよいかについての情報は限られており、in vitro薬物試験においてより精度の高いスフェロイドモデルの使用が奨励されています。
すべてのプロトコル手順は、フィラデルフィア小児病院治験審査委員会(IRB)によって承認されました。
1. 3Dスフェロイド細胞めっき
2. シナジーアッセイのための薬剤添加(図1)
3. IC50、LD50、シナジースコアの算出(図2 、 図3)
一例として、マウス神経膠腫幹細胞株5746(RFP発現)の2つのRAS下流エフェクター経路を阻害するトラメチニブ(MEK阻害剤)とGDC-0941(PI3K阻害剤)の相乗効果を評価しました(図4)。 図4A は、トラメチニブとGDC-0941の組み合わせで処理された0時間および72時間の同じ球を示しています。これらの画像は、ライブイメージャーソフトウェアから直接エクスポートされました。IC50とLD50はGraphPad(図4B、D)で説明されているように計算され、シナジーはSynergyFinder(図4C)を使用して計算されました。 図4B は、IC50計算の出力を示しています。LogIC50、Hillslope、IC50の値は、両方の薬剤について、95%信頼区間と適合度とともに示されています。 図4C は、各薬物単独の用量反応曲線(薬物濃度対阻害率)、各薬物の組み合わせに対する成長阻害率を示す色分けされたマトリックス、および両薬物間のシナジースコアの3Dグラフを示しており、この場合、シナジースコアは22.356である。 図 4D は、薬剤の単独または組み合わせた LD50 値の出力を示しています。重要なのは、LogLD50 と LD50 の値、およびそれぞれの 95% 信頼区間です。予想通り、トラメチニブのLD50はGDC-0941濃度が低くなっています。LD50は細胞死マーカーであり、アッセイの開始点と比較して50%の細胞死を示すことを覚えておくことが重要です。

図1:2薬物シナジー96ウェルプレートのセットアップ(A)薬物1および2の1/2希釈シリーズの概略図。薬物濃度は、各ウェルの最終濃度の7倍である必要があります。(B)5746個のRFP球を持つ96ウェルプレートの0h点の画像。薬物 1 希釈シリーズは、示されているように各行に追加され、合計 7 回の希釈と DMSO コントロールが行われます。Drug 2希釈シリーズは、示されているように毎回2つのカラムに添加され、合計5回の希釈とDMSOコントロールが行われます。(C)ライブイメージャソフトウェアにアップロードされたプレートマップの例。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:取得したデータのエクスポート (A)72時間の測定後、各ウェルおよび各時点について、 Total Red Object Integrated Intensity がエクスポートされます。 グループ化 は [なし] に設定されています。エクスポート オプション (右) で、[ Organize by Replicates ] と [Destination to Clipboard] を選択します。(B)エクスポートしたデータをスプレッドシート(補足ファイル1)の指定されたセルに貼り付けます。示されているように、各薬物の最高濃度を更新します。. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:取得したデータの処理 (A)データ解析ソフトウェアにコピーして解析できるIC50入力テーブル(Supplementary File 4、IC50パネル)。これらのテーブルは、 補足ファイル 1 に自動的に生成されます。(B)SynergyFinderプログラムのシナジー入力テーブルは、生存率テーブルを 補足ファイル3にコピーすることによって生成できます。このファイルは、指定された選択項目で https://synergyfinder.fimm.fi/ にアップロードされます。シナジースコアとマトリックスは自動的に計算されます。(C)データ解析ソフトウェア(補足ファイル4、LD50パネル)にコピーして解析できるLD50入力テーブル。これらのテーブルは、 補足ファイル 1 に自動的に生成されます。下は、データ解析ソフトウェアで報告された値にLD50がどのように追加されたかを示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:5746神経膠腫幹細胞球におけるトラメチニブとGDC-0941の相乗効果試験の結果の例。 (A)10 nM Trametinibおよび1000 nM GDC-0941で処理した5746 RFP球の0時間後および72時間後の画像。(B)IC50の値とIC50の標準偏差を示すIC50計算の出力。(C)SynergyFinderプログラムの出力。左:阻害曲線、中央:阻害率の表、右:トラメチニブとGDC-0941のシナジースコアが22.3であることを示すシナジーマップ。(D)LD50計算の出力、LD50値とLD50で計算された標準偏差を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足ファイル1:IncucyteのRFPシグナルを解析するために使用されるパラメータ。 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:生成されたデータが処理されるスプレッドシートで、GraphPadとSynergyFinderの入力テーブルが生成されます。 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 3: SynergyFinder 入力テーブルのスプレッドシート。 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4:IC50およびLD50の値を計算するためのGraphPad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。
このプロトコルは、神経膠腫8のスフェロイドモデルにおける薬物の脆弱性を評価するために効果的に使用されている3D薬物スクリーニングアッセイを説明しています。この3Dスフェロイドアッセイシステムは、球体で増殖した神経膠腫細胞株のコンビナトリアルケモセラピーのより正確な前臨床研究を可能にするために特別に設計されました。HGGにとって、この方法は、この壊滅的な疾患に対する有望な薬剤の脆弱性を特定するためのフレームワークを提供します。ただし、このシステムの潜在的な用途は神経膠腫に限定されず、このプロトコルは、他のさまざまな状態の3Dモデルで新しい治療法を評価するために使用できます。
この研究の目標は、in vitro 薬物スクリーニングの予測可能性を高め、前臨床試験、ひいては臨床で成功する可能性が最も高い薬剤の組み合わせを優先することです。特に神経膠腫では、臨床にうまく変換されるin vitro薬剤スクリーニングを使用して強力な薬物の組み合わせを特定することは依然として限られています。これは、部分的には、理想的でない血清増殖神経膠腫細胞株13の使用、2D単層アッセイ4の使用、およびLD50(アッセイの開始時と比較して細胞数が50%少ない)値14ではなくIC50(増殖が50%減少)に焦点を当てていることによるものです。神経膠腫幹細胞のin vitroスフェロイド増殖アッセイは、当社の前臨床モデルで評価する薬剤の組み合わせに優先順位を付けるために使用されます。薬物の組み合わせの優先順位付けでは、いくつかの対策が考慮されます:1)LD50値が低い場合、増殖の減少ではなく細胞死に焦点を当てると、潜在的な成功が高まります。2) 理想的には、これらの LD50 値は、臨床試験の薬物動態学的薬物研究中に安全に達成できる最大血清濃度である Cmax 値を下回っています。3)高いシナジースコア、両方の薬が相乗的に働く場合、これは両方の薬の間のメカニズム的な協力を示しています。この最後の点は、強力な薬物の組み合わせを特定するために必須ではありませんが、相乗効果により、薬物毒性を増加させることなく薬物の有効性を高めることができます。
重要なことは、薬物感受性の in vitro 評価は、腫瘍を縮小させることができる新しい治療法や薬物の組み合わせを発見するための重要なツールであり続けていることです。ここで紹介するプロトコルにより、前臨床モデルで評価する薬剤の組み合わせに優先順位を付けるために使用できる3Dスフェロイド増殖アッセイシステムとの薬剤感受性と相乗効果を判断できます。
このプロトコルには、いくつかの重要なステップが含まれます。私たちは、96ウェルプレートの各ウェルにおける単一コロニーの成長を測定しています。低付着性の丸底ウェルプレートを使用することは、細胞がウェルに付着せず、球体の形成が促進されるようにするために重要です。丸い底のウェルにより、単一の球が常に96ウェルプレートの同じ場所に配置されます。
細胞をめっきした後、プレートを遠心分離して、めっきされたすべての細胞が丸底ウェルの最下点に集まり、単一の3D球が形成されるようにする必要があります。各ウェルの総容量は140μLでなければなりません。これにより、各ウェル内の各薬物の正しい最終濃度が保証されます。
96ウェルプレートにピペッティングする際は、リバースピペッティング技術を使用すると、ウェル内に気泡が発生するリスクが軽減されます。気泡は、ライブイメージャーが各ウェルを正しくイメージングするのを妨げ、蛍光の強度が不正確になり、結果の下流分析に影響を与えます。
提供されているプレートレイアウトとスプレッドシートは、説明されているプロトコルに固有のものです。メッキから外れると、IC50とLD50の値が正しく計算されません。スプレッドシートは、最高濃度が提供されると自動的に希釈を計算します。実験ごとに最高濃度を更新しないと、誤ったIC50およびLD50値が計算されます。
Graphpadは、対数濃度を使用してIC50およびLD50の値を計算します。これらの対数濃度は、付属のスプレッドシートで自動的に計算され、ソフトウェアに直接コピーできます。対数濃度を使用しないと、IC50およびLD50の値が正しくなくなります。
私たちは、球体として自然に成長する細胞株を使用しています。このプロトコルを使用して、付着細胞を球体に強制することができます。ただし、増殖できる保証はありません。各ウェルに播種される細胞の数は、細胞株に依存し、個々の細胞株の固有の増殖特性に依存している場合があり、これは簡単に調整できます。提案された希釈曲線は提案にすぎません。薬物濃度や希釈系列の修正が可能です。ただし、希釈シリーズを変更した場合は、 補足ファイル1 に正しい薬物濃度をリストすることが重要です。そうしないと、計算されたIC50とLD50の値が正しくなくなります。別のプレートレイアウトを使用することを選択できます。たとえば、2 回ではなく 1 回のレプリケートのみを使用します。このためには、ユーザーはこの変更を反映するようにスプレッドシートを更新する必要があります。
めっき後、まれに複数の3D球が1つのウェルに形成されます。このような場合、遠心分離ステップ(150 x g)を繰り返すと、これらの球体は1つの球体に合体します。メッキエラーが発生し、プレートレイアウトが異なる場合は、提供されたスプレッドシートを変更して新しいプレートマップを反映させることができます。データ ポイントが外れ値であり、分析から削除する必要がある場合は、提供されているスプレッドシートを更新できます。
このシステムの主な制限は、単層で成長した接着株ではなく、球体として自然に成長した細胞株を利用することです。細胞株が球体を形成できない場合は、従来の2D増殖アッセイを使用する必要があります。従来の2D単分子膜と比較した場合、このような3Dオルガノイド様増殖アッセイを利用する利点は、アーキテクチャと活性化シグナル伝達経路がヒト疾患の in vivo モデルで観察されたものをより正確に反映していることであり、これらの方法の翻訳可能性と適用性が強調されています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 15 mL遠心分離チューブ | CELLTREAT | 229411 | 15 mLポリプロピレン遠心分離チューブ、滅菌済み96 |
| ウェルプレート | S-bio | MS9096UZ | 96ウェル丸底超低アタッチメントプレート |
| Accutase | STEMCELL Technologies | 7922 | 細胞剥離液 |
| アクリジンオレンジ/ヨウ化プロピジウム 染色 | Logos Biosystems | F23001 | 生死細胞計数用染色 |
| bFGF | STEMCELL Technologies | 78003.2 | ヒト組換え bFGF |
| セルカウンター | ロゴス バイオシステムズ | L20001 | LUNA-FL デュアル蛍光セルカウンター |
| 遠心分離機 | エッペンドルフ | 5810R | 遠心分離細胞とプレート |
| DMSO | Pierce | 20688 | 化合物用溶媒 |
| EGF | STEMCELL技術 | 78006.2 | ヒト組換え EGF |
| エッペンドルフ チューブ | Costar | 07-200-534 | マイクロ遠心チューブ |
| Excel マイクロソフト | Microsoft | Excel | |
| GDC-0941 | Selleckchem | S1065 | 薬 1 |
| GraphPad | GraphPad | GraphPad プリズム 9 | IC50 および LD50 |
| 血球計算盤 | のロゴBiosystems | LGBD10008 | Luna PhotonSlide |
| Incucyte | Sartorius | S3 | Tissue Culture Incubatorに埋め込まれた蛍光顕微鏡で、特定の時間間隔ですべてのウェルをイメージングします。 |
| Incucyteソフトウェア | Sartorius | Incucyte 2022B | Analysis of proliferation data |
| Media | STEMCELL Technologies | 5702 | NeuroCult (Mouse and Rat) proliferation kit containing Basal Medium and growth supplement |
| Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | 抗菌薬 |
| Trametinib | Selleckchem | S2673 | Drug 2 |
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