April 6th, 2016
私たちは、非小細胞肺がん(NSCLC)標的治療に対する感度を研究するために、生物学的コラーゲン足場に基づく3次元(3D)肺がんモデルを提示します。増殖指数、アポトーシス、および上皮間葉転換(EMT)の状態を決定するためのさまざまな読み出し技術を示します。収集されたデータは、薬物感受性の予測のためにin silicoモデルに統合されます。
この In Vitro/In Silico 肺がんモデルの全体的な目標は、非小細胞肺がん標的療法の感度を研究し、新物質の有効性を予測することです。この3Dモデルシステムにより、標的治療または直接組み合わせに対する細胞特異的な応答をモニタリングすることができます。この手法の主な利点は、in Silico予測でカバーされているため、より生理学的に関連する環境での前臨床薬物試験を容易にすることができることです。
この手法の意味は、特定の突然変異の背景に基づいて薬物反応予測を最適化するために使用できるため、さまざまな腫瘍実体の治療にまで及びます。手順を実演するのは、私たちの研究室の研究助手であるフランツィスカシュミットです。動的培養をセットアップするには、まず、従来のインキュベーターで、摂氏37度、CO2 5%の細胞冠で、静的培養条件下で腫瘍モデルを培養します。
3日後、オートクレーブバイオリアクターを組み立て、播種した生物学的小腸粘膜下組織と粘膜足場をシステムに挿入します。次に、45ミリリットルのRPMIを、適切な量のFCSを補充してフラスコに加え、バイオリアクターと培地のフラスコとの間のチューブシステムにニードルフリーサンプリング装置を接続します。バイオリアクターをインキュベーターに入れ、ポンプに接続して腫瘍モデルを培養し、さらに14日間、毎分3ミリリットルの一定の中流量で培養します。
従来のインキュベーターでの培養の11日目に、ゲフィチニブで静的腫瘍モデルを治療するには、まずパスツールピペットを使用して古い培地をウェルから取り出します。次に、FCSとゲフィチニブを添加した新たに調製したRPMIを各細胞冠の内側に1ミリリットル、各ウェルの底に1.5ミリリットルを加えます。動的培養からElisaのサンプルを採取するには、培養の11日目から14日目に、シリンジをサンプリング装置に取り付け、バイオリアクターシステムから1ミリリットルの培地を取り出します。
次に、Elisaが実行されるまで、サンプルを摂氏マイナス80度で保存します。Ki67陽性核の数を決定するには、まず倒立顕微鏡を使用して、標本の重ならない部分から、各条件の20倍の倍率で2D培養物の5つのDAPIおよび5つのKi67染色蛍光画像を取得します。Ki67 陽性核を手動でカウントするには、フィジーで出現した画像を開き、[プラグイン]、および [セルカウンター] を選択してから、[初期化] をクリックし、カウンタータイプを選択して、各 Ki67 陽性核をクリックします。
クリックされたセルの数は、選択したカウンタータイプの横に表示されます。2D画像内の核の総数を自動的に細胞カウントするには、マクロレコーダーを起動し、DAPI画像を開き、画像、タイプ、8ビットをクリックしてから、コントラストの強化をクリックし、飽和パラメータを1に設定して正規化します。画像をシャープにするには、半径 1 とマスク 60 を使用して、アンシャープ マスクを設定します。
画像をバインダー化するには、[自動しきい値]をクリックし、黒い背景に白いオブジェクトを使用するReny/Entropyメソッドを選択します。次に、[プラグイン]、[BioVoxxel]の順にクリックし、侵食半径を5にしてセルを分離する流域不規則な機能をクリックします。[解析]をクリックし、粒子を解析し、サイズを02無限に設定し、[summarize]をオンにします。
セルの数は、集計テーブルにカウントとして表示されます。次に、[作成]をクリックしてマクロを保存し、さらに2D細胞培養画像で核の自動カウントを可能にします。既知のデータベースを使用して腫瘍ネットワークを生成した後、適切なネットワーク分析ソフトウェアを開き、[ファイル]と[新規]をクリックして、ジョーブ腫瘍モデルを入力します。
[OK] をクリックして新しいネットワークを生成し、[North] と [ok] を四角くクローズアップして、二重膜の受容体を視覚化します。ノードを長方形として視覚化するには、汎用タンパク質、EGFR、ネットワーク内のノード Ok.To ラベルの順にクリックし、右クリックして色と形状を変更し、示されているようにノードの色コードを設定します。読み出しパラメータを六角形として可視化するには、表現型を選択し、増殖を入力して、OKをクリックします。
次に、右クリックして[色と形状の変更]を再度選択し、カラーコードを255、204、204に設定します。ノード相互作用のエッジを可視化するには、活性化矢印の [State Transition] をクリックし、鈍化抑制矢印の [inhibition] をクリックします。次に、ファイルをクリックして名前を付けて保存し、生成されたシグナルネットワークをjove tumor models.xmlとして保存します。
システム平衡の定常状態解析を行うには、SQUADソフトウェアを開き、load networkをクリックして、jove tumor models. xmlファイルをアップロードします。[解析の実行]をクリックします。
シミュレーションプロトコルを作成するには、[advanced]、[pertubator]の順にクリックし、[プロトコルの編集]をクリックして、抗EGFR耐性をシミュレートします。次に、穿刺をクリックし、定常状態4に等しい標準初期状態を選択します。[追加] をクリックして新しい定数パルスを追加し、状態パラメーターを選択して、ターゲットを FLIP に、時間を 0 に、値を 4 に設定します。
[OK]をクリックし、同じ方法でc-METとGefitinibの状態を設定します。アクティブ EGFR ノードに状態値を設定するには、「アクティブ・ノード」をクリックし、次に「編集」をクリックします。状態を 8 に設定し、[OK] をクリックします。
[OK] をクリックして、プロトコルを保存します。特定の曲線を表示するには、オプションパネルで、EGF-EGFR、スターEGF-EGFR、スターメック、カスパーゼ、PI3K、ゲギチニブ、アポトーシス、増殖、MEk阻害剤、PI3K阻害剤を選択します。次に、[初期化して実行]をクリックして、システム応答の完全なシミュレーションを開始します。
PI3KとMek阻害剤の組み合わせ治療をシミュレートするには、プロトコルの編集をクリックします。次に、先ほど示したのと同じノードパラメータを使用して、pertubationをクリックし、続いてaddをクリックして、新しい定数パルスを追加します。次に、状態パラメータを選択し、ターゲットをPI3K阻害剤に、時間をゼロに、値を1に設定して、[OK]をクリックします。
もう一度「add」をクリックして別の新しい定数パルスを追加し、stateパラメータの下でターゲットをMek阻害剤に設定し、時間をゼロに、値を1に設定し、「ok」をクリックし、続いて再度「ok」をクリックしてプロトコルを保存します。オプションパネルで、先ほど示したのと同じノードをグラフィカル表現に使用し、initialize and runをクリックして、システム応答の完全なシミュレーションを開始します。次に、シミュレーションを終了するには、[リセット] をクリックします。
この3D腫瘍検査システムは、増殖指数の決定を容易にします。また、M30 Elisaを使用したアポトーシスの定量化。例えば、この代表的な実験では、静的培養条件下でインキュベートしたEGFR変異HCC827腫瘍細胞のみが上皮成長因子の阻害に応答しました。
チロシンキナーゼ阻害剤であるゲフィチニブによる、HCC827腫瘍モデルシステムで観察されたアポトーシスの増加によって明らかになります。ここでは、上皮間葉系遷移誘導剤、TGF-β-1シミュレーションの有無にかかわらず、静的な3D腫瘍モデルの代表的な画像を示します。治療された腫瘍細胞培養におけるビメンチン発現の増加に注意してください。
動的条件下では、ゲフィチニブは、未処理の制御培養物と比較して、チロシンキナーゼ阻害剤の存在下での組織様構造の減少によって証明されるように、EGFR変異HCC827細胞に対して強力な効果を発揮します。このグラフでは、HCC827細胞における変異のドライブ、EGFRとc-METの共活性化、増殖速度の増加、アポトーシス速度の低下の経時的なシミュレーションが観察されており、MEKとPI3Kの活性化と相関するゲフィチニブ誘導耐性を反映しています。実際、PI3K阻害剤とMEK阻害剤の組み合わせをモデル化すると、抗EGFR耐性効果が逆転し、増殖が減少し、アポトーシスが誘導されます。
この手順に続いて、ウェスタンブロットなどの他の方法を実行したり、下流のシグナル伝達経路を調査したりすることができます。さらに、異なる細胞タイプとの共培養システムを使用して、腫瘍微小環境におけるさまざまな細胞間のクロストークを分析することもできます。この技術は、医薬品開発の分野の研究者がSilicoでの薬効を探求する道を開きます。
このビデオを見れば、シグナル伝達の変化をシミュレートし、さまざまな変異や背景で得られるシステム応答を分析することで、層別化された患者グループにおける薬効を予測する方法について十分に理解できるはずです。
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この研究は、生物学的コラーゲン・スキャフォールドを用いた3D肺がんモデルを提示し、非小細胞肺がん(NSCLC)治療の感受性を調査します。このモデルは、in vitroとin silicoアプローチを統合して、薬物反応予測を向上させます。
This combined 3D in vitro/in silico lung tumor model addresses the need for physiologically relevant preclinical systems that capture mutational background-specific drug responses. By integrating extracellular matrix architecture with computational signaling network simulations, the approach improves predictive confidence in target validation and lead identification for EGFR-mutated NSCLC. The model supports mechanistic de-risking by linking phenotypic outputs (proliferation, apoptosis, EMT) to in silico simulations of resistance mechanisms, enabling more informed go/no-go decisions in early discovery.
The model bridges discovery biology and preclinical validation by providing a mutation-stratified platform for assessing targeted therapy efficacy before lead optimization.