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。
方法論記事
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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。
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。
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20。21.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。
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。
2. 放射線
3. 解離
4. ライブイメージング
5. 分析
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)。

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/12 | 1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A83-01 | 0.5 μM |
| p38 MAP阻害剤p38i SB202190 | 1 μM |
| 頭 | 10% |
| Rspondinメディア | 10% |
| FGF10 | 20 ng/mL |
| FGF7 | 5 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hEGF | 5 ng/mL |
表1:PDTO培地の組成。
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。
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。
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。
| 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 Scientific | 1164H35 | |
| B27 | Invitrogen | 17504-044 | |
| 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 hEGF | Peprotech | AF-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 | |
| GlutaMax | Invitrogen | ||
| Hepes | Invitrogen | 15630-080 | |
| IncuCyteソフトウェア 2021A | ザルトリウス | バージョン:2021A | |
| IncuCyte SX1 | Sartorius | model 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 | |
| nAc | Sigma Aldrich | A9165-5G | |
| ニコチンアミド | Sigma-Aldrich | N0636 | |
| 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 | Cellstar | 657 185 | |
| NR (Heregulin) | Peprotech | 100-03 | |
| p38 MAP inhibitor p38i SB202190 | Sigma Aldrich | S7067 | |
| PBS | コーニング | 21-040-CV | |
| PenStrep | Invitrogen | 15140-122 | |
| Primocin | Invivogen | ant-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A83-01 | Tocris | 2939 | |
| Trypan blue Stain (0.4%) | Gibco | 15250-61 | |
| TrypLE | Gibco | 112605-028 | |
| Y-27632 (RhoKi) | Selleck | S1049 |
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