方法論記事

患者由来腫瘍オルガノイドの細胞放射線感受性を定量化するためのライブイメージング

DOI:

10.3791/66680

2024年4月5日

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

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ここでは、患者由来の腫瘍オルガノイドの電離放射線に対する感度を定量化するための簡単なライブイメージングアプローチについて詳しく説明します。

要約

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放射線療法(RT)は、現代の臨床がん管理の主力の1つです。しかし、すべての種類のがんが放射線に対して等しく感受性があるわけではなく、多くの場合(常にではありませんが)、電離光線によって誘発される悪性細胞の酸化的DNA損傷を修復する能力の違いによるものです。クローノジェニックアッセイは、培養がん細胞の電離照射に対する感受性を評価するために何十年にもわたって採用されてきましたが、これは主に、照射されたがん細胞が遅延して死滅することが多く、短期のフローサイトメトリーまたは顕微鏡法による定量化が困難なためです。残念ながら、クローノジェニックアッセイは、患者由来腫瘍オルガノイド(PDTO)などのより複雑な腫瘍モデルには使用できません。実際、確立されたPDTOを放射線で照射しても、その幹様コンパートメントが完全に根絶されない限り、必ずしも多細胞単位としての成長が阻害されるわけではありません。さらに、PDTO由来の単一細胞懸濁液を照射すると、確立されたPDTOの状況で悪性細胞のRTに対する感受性を適切に再現できない場合があります。ここでは、確立されたPDTOを電離放射線に曝露し、その後、単一細胞解離、適切な培養条件での再プレーティング、およびライブイメージングを含む従来のクローン生成アッセイの適応について詳しく説明します。非照射(制御)PDTO由来幹様細胞は、PDTO特異的な効率で増殖するPDTOを改質しますが、これは線量依存的に照射によって悪影響を受けます。これらの条件では、制御PDTOが所定のスペース占有率を達成するまで収集されたタイムラプス画像の放射線感受性の尺度として、PDTO形成効率と成長率を定量化できます。

概要

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外照射療法(RT)は、一般的に管理可能な副作用の明確なスペクトル1に関連する顕著な抗がん活性だけでなく、非常に広範な臨床利用可能性も反映しており、現代の腫瘍学の主力の1つです(先進国のほとんどのがんセンターには、外部ビームRT用の最新の線形加速器が装備されています)2.この考えに沿って、RTは、一般的には早期疾患の文脈における治癒目的3,4と、転移性腫瘍5からの症状(例えば、痛み)を封じ込めるための緩和的応用の両方において、世界的に成功裏に採用されている。とは言うものの、すべての悪性腫瘍がRTに対して等しく感受性があるわけではなく、これは多くのがん細胞内因性および微小環境の特徴を反映しています6,7,8,9。独立した例として、DNA修復および酸化還元恒常性に影響を与える様々ながん関連遺伝的およびエピジェネティックな変化は、内因性放射線感受性の増加または減少と関連しており、これは主に、DNAおよび他の高分子10,11,12,13に直接活性酸素種(ROS)依存性の損傷を引き起こすことにより、がん細胞を殺傷するRTの能力を反映している。

過去数十年にわたり、培養ヒトおよびマウスのがん細胞14,15,16の放射線感受性を評価するために、クローン生成アッセイが日常的に使用されてきた。実際、化学療法やその他のストレッサーは、悪性細胞をかなり迅速に殺すことが多いが、臨床的に適切な用量で用いられるRTは、細胞死の遅延型を最も頻繁に引き起こすが、これは、細胞傷害性刺激への曝露から24-72時間後に(死細胞を選択的に染色する)重要な色素の細胞取り込みを測定するなど、短期のフローサイトメトリーまたは顕微鏡法支援技術では単純に定量化できない17.クローノジェニックアッセイは、単純でかなり安価な試薬に頼るだけでなく、RT用量反応の定量分析のためのかなり単純な数学的ツールである、いわゆる「線形二次」モデルの実装を可能にするため、特に便利でした18,19同様に、培養がん細胞(確立された細胞株および初代患者由来細胞を含む)は、がん生物学のさまざまな側面を試験するための便利なプラットフォームを提供してきた、これには、治療に対する感受性がかなり単純化されている(ただし、これらに限定されない)が、1つの大きな制限は、構造化された腫瘍微小環境(TME)の欠如である2021.実際、二次元がん細胞培養は、細胞間コミュニケーションや細胞外マトリックスとの相互作用を本質的に再現することができず、がんで発生する22,23。患者由来腫瘍オルガノイド(PDTO)は、少なくとも部分的にそのような制限を回避する腫瘍モデルとして登場している24,25,26。

残念ながら、従来のクローン生成アッセイは、PDTOの放射線感受性を評価するために使用することはできません。一方では、確立されたPDTOを照射しても、PDTOの形成と成熟に関与するが、より分化したPDTO構成細胞と比較してDNA損傷に対する耐性が高い27という幹様コンパートメントが完全に根絶されない限り、多細胞ユニットとしての成長を必ずしも損なうとは限りません。一方、PDTO由来の単一細胞懸濁液を照射すると、形成されたPDTOの状況で示されるPDTO構成細胞(幹様細胞を含む)の放射線感受性が適切に再現されない可能性があります。ここでは、乳がんのPDTOのライブイメージングを利用して、以前に電離放射線に曝露されたPDTO由来細胞のPDTO形成効果と増殖速度を、非照射細胞と比較して監視する技術について詳しく説明します。必要なバリエーションは、主に個々のPDTOの異なる生物学(例えば、培養培地の必要量、成長率)を反映しており、このプロトコルは、乳腺起源と非乳腺起源の両方のPTDOの幅広いパネルでの放射線感受性の研究に適していると期待しています。

プロトコル

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この試験で使用された試薬および機器は、 材料表に記載されています。

1. オルガノイド培養

注: TNBC#1 PDTO は、トリプルネガティブ乳がん (TNBC) の患者から外科的に切除された腫瘍組織に基づいて、バイオバンキング プロトコル (IRB21-06023682) に参加するためのインフォームド コンセントを提供したことに基づいて、私たちの研究室で設立されました。組織学およびRNAシーケンシング(RNAseq)による検証後、TNBC#1 PDTOは、濃縮DMEM/F12培地(表1)中の66%マトリゲル滴(いわゆる「ドーム」)で培養され、2〜3週間ごとに1:2〜1:10の比率で継代されます28

  1. 照射の約2週間前に、PDTOを1:2-1:10の比率で、試験した放射線量ごとに1つずつ、別々の非接着性の6ウェルプレートに播種します(さらに、電離放射線に曝露されていないPDTOによって提供される陰性コントロール)。
  2. 3〜4日ごとに、3 mLの新鮮で濃縮されたDMEM/F12培地をPDTOに加えます。
    注:播種および培養条件は、PDTOが顕微鏡下でコア壊死を示す非常に認識可能なリング状の外観を獲得するのを防ぎ、照射時の最適な生存率を確保するために、ある程度の適応が必要になる場合があります。

2. 放射線

  1. PDTOは、平均サイズ(スケール基準を用いた明視野顕微鏡で予備的に決定された約100μm)とドーム占有率(約80%)に達すると、照射の準備が整います。この段階でPDTOを通過して、過密状態を避けます。
  2. Small Animal Research Radition Platform(SARRP)照射器(または in vitro または in vivo アプリケーション用の代替照射器)をオープンフィールドモード(コリメータなし)で使用してPDTO含有ドームを照射し、2 Gy、4 Gy、6 Gy、8 Gy、および10 Gyの単回線量を照射します。非照射PDTOは、適切なネガティブコントロール条件を提供します。
    注:マトリゲル封入PDTOが計画された放射線量を受けることを確認するために、各実験の前に線量測定試験のキャリブレーションを実施する必要があります。これらの線量は、TNBC#1 PDTOの放射線感受性の予備評価に基づいて選択されたため、他のPDTOの調整が必要になる可能性がある。

3. 解離

  1. 照射後すぐに、各PDTO含有マトリゲルドームを2 mLの濃縮DMEM/F12培地で洗浄し、p1000マイクロピペットを使用して1〜3 mLのTrypL-Eに再懸濁します。各ウェルについて約30回繰り返します。
  2. 細胞懸濁液を50 mLの遠心チューブに集め、37°Cの水浴で~5分間インキュベートします。
  3. 細胞を800 x g で室温で5分間遠心分離してペレット化します。
  4. 余分なTrypL-Eを取り除き、チューブ内に~1 mLを残し、濃縮DMEM/F12培地の元の酵素量の3倍(ステップ3.1を参照)を加えて細胞を洗浄します。
  5. 40 μmメッシュフィルターを使用して細胞懸濁液をろ過します。このステップにより、プレーティングにセルクラスターが残らず、新しいPDTOがそれぞれ1つのセルに由来することが保証されます。
  6. PBS中の10%トリパンブルーで染色後、自動セルカウンターで細胞をカウントし、再懸濁して、50μLの濃縮DMEM/F12培地と66%マトリゲルに800個の細胞を4°Cで含みます(1ドームの条件)。
  7. 各ドームを、イメージングに適合したライブ48ウェル培養プレートから個々のウェルにプレートし、気泡の形成を避けます。放射線量ごとに技術的なトリプリケートが推奨されます。
  8. プレートを細胞培養インキュベーター(37°C、5%CO2)に30分間置き、マトリゲルを固化します。
  9. 0.5-1 mLの濃縮DMEM/F12培地を添加し、潜在的な気泡を除去し、細胞培養インキュベーター内のライブイメージングシステムにプレートを配置します。イメージングする前に、プレートを設定温度まで約30分間平衡化させます。
    注:マトリゲルは>4°Cの温度で固化するため、固化が必要になるまでこの温度を維持する必要があります。

4. ライブイメージング

  1. IncuCyteソフトウェアで、「 Schedule to Aquire」を選択します。
  2. Launch Add Vesselの左上隅にあるプラス記号をクリックします。
  3. 繰り返しスキャンするか、1回スキャンするには、[ スケジュールに従ってスキャン]を選択し、[ 次へ]をクリックします。
  4. ベッセルを作成または復元するには、[ Create Vessel New] を選択し、[ Next] をクリックします。
  5. スキャンタイプを選択するには、 オルガノイドを選択し、 次へをクリックします。
  6. スキャン設定: QC<「フェーズ+明視野画像チャンネル」を選択します。「4x Objective」が自動的に選択されます。次に、[ 次へ]をクリックします。
  7. 船舶の選択: カタログ番号に従って、ソフトウェアで検証された適切なプレートを選択してください。
  8. 船舶の位置: レイアウトに従って機器上のプレートの位置を選択し、[ 次へ]をクリックします。
  9. スキャンパターン: プレートのレイアウトに従ってウェルを選択し、[ 次へ]をクリックします。
  10. 船舶ノート: ネームプレート(オプション: 名前、セルタイプ パッセージ)。プレートマップを作成するには、プレートレイアウトの右上隅にある プラス 記号「プレートマップの作成」をクリックします。
  11. プレートマップエディターで、セルセクションの「新規セルを作成」アイコンをクリックしてセルタイプを指定し、プラスアイコンをクリックして適切なウェルに適用し、適切なウェルを選択します。オプション:播種された細胞と継代の数を示すことができます。各細胞株について繰り返します。
  12. 「Growth Conditions」セクションの「Create New Cell」アイコンをクリックして処理を指定し、プラスアイコンをクリックして適切なウェルに適用し、適切なウェルを選択します。各実験条件について繰り返します。次に、[OK]>[次へ]をクリックします。
  13. 分析設定: [分析を後で延期する] が自動的に選択されます。 [次へ]をクリックします。
  14. スキャンスケジュール: 1日2回のスキャンを無期限に選択してください。 [次へ]をクリックします。制御PDTOの暗さを監視して、理想的なエンドポイントを確保します。これは、大きくなりすぎると崩壊する傾向があるためです。
  15. 概要: 概要を確認し、[ スケジュールに追加]をクリックします。
    注:スキャンのプロパティは視覚化でき、必要に応じてスキャンタイムラインを右クリックしてスケジュールを編集できます。

5. 分析

  1. 互換性のあるソフトウェアで、[ 表示] を選択します。これは、イントラネット 経由で システムに接続されているコンピューターからも操作できます。
  2. 目的の実験をダブルクリックして選択します。
  3. 「Launch Analysis」アイコンを選択します。
  4. 「Create New Analysis Definition」を選択し、「Next」をクリックします。
  5. 分析タイプ:オルガノイドを選択し、次へをクリックします。
  6. 画像チャンネル:フェーズ+明視野」がデフォルトで選択されているので、「次へ」をクリックします。
  7. 分析する代表的な画像のセットを選択します。 [次へ]をクリックします。早期および後期の時点と、制御や異なる放射線量など、さまざまな治療条件を選択することをお勧めします。
  8. 以下の手順に従って、TNBC#1の解析定義を実行します。
    1. 画像上: [現在のプレビュー ]または[すべてプレビュー]を選択して、現在の画像または選択した画像のデフォルトマスクを視覚化します。解析パラメータが変更されると、この操作を繰り返してマスクを更新します。
    2. セグメンテーション: 半径300 に、感度背景を 80 に、エッジ分割を ONに、エッジ感度を 70 に設定します。
    3. クリーンアップ: [穴埋め]5E+05 μm2 に設定し、[サイズ] を 0 ピクセルに調整します。
    4. フィルター:最小面積または最大面積を設定せず最小偏心を 0.19 に設定し、最大偏心をなします[次へ]をクリックします。
  9. スキャン時間とウェル: 必要なすべてのスキャン時間ポイントとウェルを選択します。[次へ]をクリックします。オプション: 「将来のスキャンを分析」を選択します。
  10. 分析定義の保存と適用: 定義名を入力し、[次へ]をクリックします。
  11. サマリーを視覚化し、[ 完了]をクリックします。
  12. ポップアップ・ウィンドウが表示され、分析が分析キューに入ったことをユーザーに通知します。 [OK]をクリックします。[Analysis Queue] ウィンドウが開くと、残りのタスクを視覚化できます。
  13. 必要に応じて、View で完了した解析を取得するには、[Analysis] 列の [Vessel Name] の横にある青い矢印を選択し、[Analysis Definition Name] を右クリックします。次に、ソフトウェア上で「Graph analysis Metrics」をクリックして生データを視覚化するか、「Export Analysis Definition」を選択してさらに分析するためにエクスポートします。
    注:生データのエクスポートは、 グラフ分析の[メトリック] ウィンドウでカスタマイズできます。オルガノイド数、総面積、平均偏心率、および暗さは個別にエクスポートでき、データは 「グループ化の選択 」ロールダウンメニューで「 なし」、「列」、「行」、または「プレートマップレプリケート」をクリックして整理できます。TNBC#1 では、ロー・データのエクスポート、 グラフ分析メトリックおよび「グループ選択」 ロールダウン・オプションで、「 なし 」オプションが選択されました。これらのインポートパラメータは、TNBC#1 PDTOによる予備評価に基づいて選択されました。そのため、他の PDTO の調整が必要になることがありますが、これは「プレビュー」機能に基づいてソフトウェアで可能です。(1)主に単一細胞または小さなPDTOを含む初期の画像、および(2)後期の時点で収集された画像にインポートパラメータを適応させて、制御条件と処理条件の両方で大きなPDTOも取得されるようにすることをお勧めします。

結果

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TNBC#1 PDTOは、0日目に0(未照射対照)、2 Gy、4 Gy、6 Gy、8 Gy、または10 Gyの単回放射線量に被曝した。その直後、PDTOを解離して、各実験条件のシングルセル懸濁液を得ました。次に、PDTO由来の細胞を、ウェルの中央に堆積した66%マトリゲルドーム(各50μL)内の48ウェルプレートに、条件ごとに3回のテクニカルレプリケートで播種しました。プレートをライブイメージングシステムに配置し、オルガノイドモジュール4X対物レンズを使用して6時間ごとに合計30日間イメージングしました。TNBC#1 PDTOに2Gyの単回線量でRTを照射すると、PDTOの再増殖が有意に遅延し、≥4Gy(最大10Gy)の放射線量が完了すると、PDTOの増殖が妨げられた(図1)。

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図1:患者由来腫瘍オルガノイド(PDTO)のライブイメージング。乳がんTNBC#1患者由来腫瘍オルガノイド(PDTO)を未治療または指示線量に曝露した後、解離、再プレーティング、およびライブセルイメージングシステムによるイメージングを行いました。コントラスト調整時の代表的な画像(A)と定量的評価(B、SEM平均)±報告します。画像スケール: 1.19 x 1.16 mm (1.38 mm2)。スケールバー:400μm;挿入図:200μm.****p < 0.001(0 Gyと比較して2元配置分散分析);####p < 0.001 (2 Gy と比較した二元配置分散分析)。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。

コンポーネント濃度
DMEM F/121倍
グルタマックス1倍
ヘペス10 mM
ペンストレップ100 U/mL
B27 さん1倍
nAcの1.25 mM
ニコチンアミド10 mM
TGFβ受容体阻害剤A83-010.5 μM
p38 MAP阻害剤p38i SB2021901 μM
10%
Rspondinメディア10%
FGF1020 ng/mL
FGF75 ng/mL
NR(ヘレグリン)5 nM
プリモシン100 μg/mL
Y-27632 (ローキ)5 μM
上皮成長因子hEGF5 ng/mL

表1:PDTO培地の組成

ディスカッション

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ここでは、乳がんのPDTOとライブイメージングを利用して、(1)in vitroでのPDTO照射によるPTDO形成幹様細胞の持続性、および(2)これらの細胞が生成する(可能性のある)PDTOの増殖速度に基づいてPDTO放射線感受性を定量化する従来のクローン生成アッセイの適応について説明します。このプロトコルの重要なステップには、(1)良好な生存率を可能にするドーム占有へのPDTOの確立、(2)模擬照射制御条件を含む、さまざまな線量の電離照射へのPDTO曝露が含まれます。(3)PDTOの単一細胞への解離。(4)PDTO由来の単一細胞の再プレーティング;(5)制御条件で事前定義されたドーム占有率までライブイメージング。

最小限の変更で、主に制御条件でのPDTO形成効率とPDTO成長率(PDTOによって大きく異なる可能性があります)に関連しているため、このプロトコルは、複数の市販のライブイメージングプラットフォーム、および乳腺および非乳房由来の両方の多数のPDTOに適応できると期待しています。一方では、単一細胞分散によるベースラインPDTO形成効率は、画像ベースのPDTO定量だけでなく、未処理のPDTOの正常な増殖も可能にする密度で、新しいPDTOを得るために再播種する単一細胞の数に影響を与えると予想されます。一方、PDTOの成長率は、最適な分析能力を維持するために隣接するPDTOのマージを避ける必要があるため、アッセイの期間に影響を与えると予想されます。したがって、個々のPDTOの制御条件でPDTO形成効率とPDTO成長率を決定することは、このプロトコルを正しく実装するために重要です。

この方法はかなり簡単であることがわかっていますが、いくつかの制限があります。まず、PDTO形成細胞の数が少なすぎると、単一細胞の解離時に正常に増殖するPDTOの再生が損なわれる可能性があります。実際、ルーチンのPDTO継代は不完全な解離によって達成できますが、このプロトコルによって提供される定量的評価は、シングルセル懸濁液の生成に依存しています(これはカウント中に視覚的に確認できます)。第二に、成長速度が遅すぎると、アッセイの期間が大幅に延長され、放射線感受性の推定が不正確になる可能性があります。確かに、成長の遅いPDTOがエンドポイント適合サイズに達するために必要な培養時間を延長すると、亜致死的に照射されたPDTO形成細胞がストレスから回復し、検出可能な(ただし成長が遅い)PDTOを回復するための追加の機会を提供する可能性があると考えられる。最後に、照射直後にPDTOを解離すると、PDTO形成細胞に追加のストレスがかかり、回復の初期段階での細胞間コミュニケーションの変化の結果として放射線感受性が増加する可能性があります。解離を24〜72時間遅らせることで、RTによって課せられるPDTO形成細胞の高分子損傷からの回復能力に対する保存された細胞間コミュニケーションの相対的な寄与についての洞察が得られる可能性があります。

ライブイメージングプラットフォームは、PDTOの形成と成長を縦断的にモニタリングする便利な方法を提供しますが、同じ目的に単一エンドポイント画像を使用することもできます。この場合、イメージング前に隣接するPDTOが合流しないように注意を払う必要があり、成長率はアッセイの期間に正規化されたPDTOサイズの関数として評価できます。

個別化がん医療の時代において、個々の腫瘍の治療に対する感受性を評価することは、有効性が向上した個別化治療戦略の設計にいくつかのヒントを提供するため、最も重要である29。本明細書に記載されているプロトコルは、電離放射線に対する個々のPDTOの細胞感度を推定するための便利なアプローチを提供することにより、この取り組みに適合します(単独または他の治療モダリティと組み合わせます)。とはいえ、PDTOからのがん細胞の放射線感受性の測定が、局所RTに対する個々のがん患者の反応を正確に予測するかどうかは、まだ実証されていません。異なるPDTOの放射線感受性と放射線照射を、それぞれのドナーのRTに対する臨床反応と相関させることで、この可能性に関する重要な洞察が得られるだろう。

開示事項

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究とは無関係に、SCFは、メルク、バリアン、ブリストル・マイヤーズ スクイブ、セルデックス、リジェネロン、エーザイ、イーライリリーと研究契約を結んでおり、バイエル、ブリストル マイヤーズ スクイブ、バリアン、エレクタ、リジェネロン、エーザイ、アストラゼネカ、メディミューン、メルク米国、EMDセローノ、アキュレイ、ベーリンガーインゲルハイム、ロシュ、ジェネンテック、アストラゼネカ、ビュー・レイ、ナノビオティクスから研究契約を結んでいます。この仕事とは無関係に、SDはLytix Biopharma、EMD Serono、小野薬品工業、Genentech、Johnson & Johnson Enterprise Innovation Inc.からコンサルティング/アドバイザリーの謝礼を受けており、Lytix Biopharma、Nanobiotix、Boehringer-Ingelheimと研究契約を結んでいます。この仕事とは無関係に、LGはLytix Biopharma、Promontory、Onxeoと研究契約を結んでおり、Boehringer Ingelheim、AstraZeneca、OmniSEQ、Onxeo、The Longevity Labs、Inzen、Imvax、Sotio、Promontory、Noxopharm、EduCom、Luke Heller TECPR2 Foundationからコンサルティング/アドバイザリーの謝礼を受け取っています。

謝辞

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このプロトコルの開発に協力してくれたRaymond Briones氏とWen H. Shen氏(Weill Cornell Medical College、New York、NY、USA)に感謝します。この研究は、米国国防総省BCRP(#W81XWH2120034、PI:Formenti)からのTransformative Breast Cancer Consortium Grantによってサポートされています。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
40 &マイクロ;m メッシュ フィルターThomas Scientific1164H35
B27Invitrogen17504-044
セロメーター オート T4 明視野 セル カウンターNexcelom
DMEM F/12コーニング 12634-010
上皮成長因子 hEGFPeprotechAF-100-15
EVOS FL デジタル倒立型蛍光顕微鏡 サーモフィッシャーサイエンティフィック12-563-460
FGF10ペプロテック100-26
FGF7ペプロテック 100-19
GlutaMaxInvitrogen 
HepesInvitrogen 15630-080
IncuCyteソフトウェア 2021Aザルトリウスバージョン:2021A
IncuCyte SX1Sartoriusmodel SX1
IncuCyte validated 48ウェルプレートコーニング 3548
マトリゲルディスカバリー ラボウェア354230
nAcSigma Aldrich A9165-5G
ニコチンアミドSigma-AldrichN0636
Noggin米国 Weill Cornell, NY, USA Englander Institute for Precision Medicineから購入
未処理 6 ウェルプレートCellstar657 185
NR (Heregulin)Peprotech100-03
p38 MAP inhibitor p38i SB202190Sigma Aldrich S7067
PBSコーニング 21-040-CV
PenStrepInvitrogen15140-122
PrimocinInvivogenant-pm-1
Rspondin 培地精密医療研究所(Weill Cornell, NY, USA
Animal Radiation Research Platform (SARRP))から購入 Xstrahl Ltd
TGFbeta受容体阻害剤A83-01Tocris2939
Trypan blue Stain (0.4%)Gibco15250-61
TrypLEGibco112605-028
Y-27632 (RhoKi)SelleckS1049
35050061 英国 Small

参考文献

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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