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Research Article
Wei Hou*1,2, Zilin Zhang*3,4, Jing Zhang3,4, Shihui Xu2,4, Menglan Li4, Xiaoran Li2,4, Zaozao Chen2,3, Cailian Wang1,2
1Department of Oncology, School of Medicine,Southeast University, 2State Key Laboratory of Bioelectronics, School of Biological Science and Medical Engineering,Southeast University, 3Institute of Medical Devices (Suzhou),Southeast University, 4Jiangsu Avatarget Biotechnology Co., Ltd.
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
이 글에서는 3차원 종양 스페로이드를 구성하기 위한 표준화된 방법을 보여줍니다. 자동화된 이미징 시스템을 사용한 스페로이드 관찰 및 이미지 기반 딥러닝 분석을 위한 전략도 설명합니다.
최근 수십 년 동안 단층 배양 세포 외에도 3차원 종양 스페로이드가 항암제 평가를 위한 잠재적으로 강력한 도구로 개발되었습니다. 그러나 종래의 배양 방법은 3차원 수준에서 균질한 방식으로 종양 스페로이드를 조작하는 능력이 부족합니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 논문에서는 평균 크기의 종양 스페로이드를 구성하는 편리하고 효과적인 방법을 제시합니다. 또한 전체 플레이트를 스캔하고 3차원 스페로이드에 대한 데이터를 얻을 수 있는 인공 지능 기반 분석 소프트웨어를 사용한 이미지 기반 분석 방법에 대해 설명합니다. 몇 가지 매개 변수가 연구되었습니다. 표준 종양 스페로이드 구성 방법과 고처리량 이미징 및 분석 시스템을 사용하면 3차원 스페로이드에서 수행되는 약물 테스트의 효과와 정확성을 크게 높일 수 있습니다.
암은 인간이 가장 두려워하는 질병 중 하나이며, 특히 높은 사망률때문에 1. 최근 몇 년 동안 새로운 치료법이 도입됨에 따라 암 치료 가능성이 높아졌습니다 2,3,4,5. 2차원(2D) 및 3차원(3D) 체외 모델은 실험실 환경에서 암을 연구하는 데 사용됩니다. 그러나 2D 모델은 항종양 민감도를 나타내는 모든 중요한 매개변수를 즉각적이고 정확하게 평가할 수 없습니다. 따라서 약물 치료 테스트에서 생체 내 상호작용을 완전히 나타내지 못한다6.
2020년부터 글로벌 3차원(3D) 문화 시장이 크게 성장했습니다. NASDAQ OMX의 한 보고서에 따르면 3D 세포 배양 시장의 글로벌 가치는 2025년 말까지 27억 달러를 초과할 것입니다. 2D 배양 방법과 비교하여 3D 세포 배양은 증식 및 분화뿐만 아니라 장기 생존을 위해 최적화할 수 있는 유리한 특성을 나타냅니다 7,8. 이러한 수단을 통해 생체 내 세포 미세 환경을 시뮬레이션하여 보다 정확한 종양 특성화와 대사 프로파일링을 얻을 수 있으므로 게놈 및 단백질 변화를 더 잘 이해할 수 있습니다. 이로 인해 3D 테스트 시스템은 이제 주류 약물 개발 작업, 특히 새로운 항암제 스크리닝 및 평가에 중점을 둔 작업에 포함되어야 합니다. 스페로이드 구조에서 불멸화된 확립된 세포주 또는 일차 세포 배양의 3차원 성장은 저산소증 및 약물 침투와 같은 종양의 생체 내 특징뿐만 아니라 세포 상호작용, 반응 및 내성을 가지며, 시험관 내 약물 스크리닝을 수행하기 위한 엄격하고 대표적인 모델로 간주될 수 있습니다 9,10,11.
그러나 이러한 3D 배양 모델에는 해결하는 데 시간이 걸릴 수 있는 몇 가지 문제가 있습니다. 세포 스페로이드는 이러한 프로토콜을 사용하여 형성될 수 있지만, 배양 시간 또는 매립 겔(12)과 같은 특정 세부사항에서 상이하므로, 이러한 구성된 세포 스페로이드는 제한된 크기 범위 하에서 잘 제어될 수 없다. 스페로이드의 크기는 생존력 테스트 및 이미징 분석의 일관성에 영향을 미칠 수 있습니다. 성장 미세 환경과 성장 인자 또한 다양하며, 이는 세포 간의 분화의 차이로 인해 다른 형태를 초래할 수 있다13. 이제 제어된 크기로 모든 유형의 종양을 구성하기 위한 표준적이고 간단하며 비용 효율적인 방법이 분명히 필요합니다.
또 다른 관점에서, 형태, 생존력 및 성장률을 평가하기 위해 균질한 분석 및 고함량 이미징 접근법이 개발되었지만, 종양 스페로이드의 위치, 크기 및 형태의 균일성 부족과 같은 문헌에 보고된 다양한 이유로 3D 모델의 고처리량 스크리닝은 여전히 도전 과제로 남아 있습니다14,15,16.
여기에 제시된 프로토콜에서는 3D 종양 스페로이드 구성의 각 단계를 나열하고 다른 유리한 특성 중에서 자동 초점, 자동 이미징 및 분석을 포함하는 고처리량, 고함량 이미징 시스템을 사용하여 스페로이드 관찰 및 분석 방법을 설명합니다. 우리는 이 방법이 어떻게 고처리량 이미징에 적합한 균일한 크기의 3D 종양 스페로이드를 생성할 수 있는지 보여줍니다. 이러한 스페로이드는 또한 암 약물 치료에 대한 높은 민감도를 나타내며 고함량 이미징을 사용하여 스페로이드의 형태학적 변화를 모니터링할 수 있습니다. 요약하면, 우리는 약물 평가 목적을 위한 3D 종양 구조를 생성하는 수단으로서 이 방법론의 견고성을 입증합니다.
1. 스페로이드 구조
2. 약물 치료
3. 스페로이드 생존력
4. 약물 검사에서 이미지를 통한 스페로이드 관찰 및 딥러닝 분석
(식 2)그림 1A,B는 이 연구에서 종양 스페로이드를 구성하는 데 사용된 프로세스를 보여줍니다. 우리는 먼저 48웰 U자형 바닥 플레이트에 세포를 시드했습니다. 이 단계는 2D 세포 배양에 사용되는 단계와 거의 동일합니다. 우리는 우물을 둘러싸고 있는 물이 있는 공통 인큐베이터에 플레이트를 보관하여 증착된 세포가 자가 조립 과정에서 스페로이드를 형성하기 시작하도록 했습니다. 정상적인 작동 조건에서 대부분의 유형의 종양 스페로이드는 표적 배지를 사용한 후 5일 후에 완전히 형성되었습니다(보충 표 2). 디지털 현미경으로 5일 이내에 스페로이드 구성 상태를 확인했습니다(그림 1D). 성장 과정이 완료된 후, 겔을 첨가하여 각 웰에서 개별 스페로이드를 감싸고, 각 스페로이드에 대해 생체 내 유사 세포외 기질(ECM)을 생성했습니다. 그런 다음 약물 검사가 수행되었습니다. 딥러닝 분석 소프트웨어(그림 1C)와 함께 High-Content Imaging 시스템을 사용했기 때문에 개별 스페로이드 성장(그림 1E)을 명확하게 관찰하고 생존력, 직경 및 거칠기를 포함한 약물 치료 중 특성을 결정하는 데 적합한 매개변수에 대한 값을 얻을 수 있었습니다.

그림 1: 종양 스페로이드 형성과 자동 이미징 및 분석. (A) 아래 타임라인과 함께 표준 종양 스페로이드 배양 절차를 보여주는 개략도. (B) 3D 매트릭스에서 다양한 수준의 침습성을 보여주는 종양 스페로이드를 사용한 약물 치료 테스트 개략도. (c) 다음과 같은 세부 사항을 보여주는 자동 이미징 및 분석을 위한 딥러닝 기반 알고리즘 관련 시스템의 이미지: 플레이트 플랫폼; 광원이 있는 콘덴서; 전동 X, Y 스테이지; 전동 Z축 모듈; 목표 휠; 필터 휠; 증권 시세 표시기; 그리고 개발된 시스템 소프트웨어가 있는 컴퓨터. (D) 현미경의 접안렌즈에서 관찰한 단층 세포로부터 NCI-H23 종양 스페로이드의 형성. 눈금 막대는 500μm를 나타냅니다. (E) 10일 동안 약물 치료를 하지 않은 NCI-H23 스페로이드의 침습성 및 크기 변화. 눈금 막대는 200μm를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
본 연구에서는 항암제 AMG510을 사용하여 비소세포폐암 치료에 미치는 효과를 시험하였다. 분석 시스템은 복잡한 이미지 처리 없이 이미지 데이터를 제공했습니다. 그림 2 의 명시야 이미지는 NCI-H23 스페로이드의 성장이 AMG510에 의해 억제될 수 있음을 보여줍니다. 이것은 농도 증가와 함께 감소 된 크기로 나타났다. 대조적으로, 크기는 대조군에서 10일 동안 증가하였다. 이 기간 동안 침습성을 나타내는 가장자리 측면의 거칠기도 변경되었습니다. 스페로이드는 1일차에 평평한 모서리를 나타냈지만 10일차에는 거친 모서리를 보였습니다. 그러나 명시야 이미지만으로 거칠기를 비교하는 것은 어려운 작업이라는 점에 유의해야 합니다. 또한 표준 방법에는 적절한 평균 크기의 스페로이드가 포함된다는 점도 언급해야 합니다. 마지막으로, 우리는 바닥에 붙어있는 세포가 거의 없기 때문에이 방법을 사용하여 깨끗한 배경을 얻었다는 것을 알 수 있습니다.

그림 2: 다양한 농도의 AMG510으로 처리된 NCI-H23 세포 스페로이드의 명시야 이미지를 고함량 현미경으로 자동 캡처했습니다. 열은 서로 다른 요일을 나타내고 행은 서로 다른 약물 농도를 나타냅니다. 결과에는 각 조건에 대한 3개의 스페로이드가 포함됩니다. 모든 이미지는 자동으로 2배 배율로 초점을 맞춘 다음 인공 지능 기반 소프트웨어와 현미경 관련 미세 환경 컨트롤러를 사용하여 고함량 이미징 시스템에 의해 10배 배율로 캡처되었습니다. 눈금 막대는 200μm를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3A에 제시된 세포 생존율 결과는, 대조군과 비교하였을 때 모든 투여량 수준에서 약물-처리된 샘플의 10일 배양에서 감소된 생존율을 입증하였다. 0.01μM 이상의 농도를 가진 샘플은 종양 세포 생존율의 급격한 감소를 나타내었으며, 이는 비소세포폐암에 대한 AMG510 요법의 민감성을 나타냅니다. 10일째에, 이들 샘플들은 도 3B에 나타낸 바와 같이, 70% 미만의 값으로 유사한 수준의 최종 생존율을 나타내었다.

그림 3: AMG510 처리된 샘플 그룹의 종양 스페로이드 생존율. 약물은 1일째에 추가되었습니다. (A) 종양 스페로이드 생존율은 1일, 4일, 7일 및 10일에 측정되었습니다. (B) 농도 구배를 갖는 샘플의 말단 세포 생존율. 각 종양 스페로이드를 치료하기 위해 사용된 약물 농도는 0.001 μM 내지 5 μM로 설정하였다. 모든 데이터는 평균 ± SEM(n=3)으로 제시된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4A는 스페로이드 직경 분석과 관련하여 유사한 경향을 나타낸다. 농도가 0.01 μM 이상인 샘플은 평균 직경의 명백한 감소를 나타냈다. 스페로이드 크기의 균일성은 약물 치료 첫날에도 약 800μm의 값으로 볼 수 있었습니다. 이러한 스페로이드의 직경 비율(그림 4B)은 AMG510 동시 배양 동안 생존력 테스트보다 눈에 띄게 더 분명한 방식으로 수축을 나타냅니다. 또한, 본 발명자들은 도 4C에 도시된 바와 같이, 그들의 직경에 따라 스페로이드 종양 성장 억제 값을 계산하였다. TGI 값은 상대적인 평가 매개변수이며, 이 값은 스페로이드 간의 원래 파종 차이로 인한 성장 감소를 나타낼 수 있습니다. 그러나 0.01μM 이상의 농도가 AMG510 치료의 성공에 명백한 영향을 미친다는 결과를 다시 얻었습니다. 이전 연구에서 우리는 약물 테스트의 중요한 지표인 IC50 값을 실험했습니다. 그러나 AMG510 처리 하의 NCI-H23 스페로이드는 이 매개변수에 변화가 없음을 발견했습니다.

그림 4: 대조군 및 AMG510 처리 샘플 그룹에서 스페로이드 직경으로 표시되는 종양 크기. (A) 종양 스페로이드 직경은 1일, 4일, 7일 및 10일에 측정되었습니다. (B) 스페로이드 성장 비율은 원래 부피에 대한 말단 부피로 정의되고 스페로이드 직경을 사용하여 계산되었습니다. (C) 스페로이드 성장 억제 비율은 부피를 기준으로 정의하고 스페로이드 직경을 사용하여 계산했습니다. 각 종양 스페로이드를 치료하기 위해 사용된 AMG510 농도는 0.001 μM 내지 5 μM로 설정하였다. 모든 데이터는 평균 ± SEM(n=3)으로 제시된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그런 다음 소프트웨어에 의해 출력된 거칠기 값(그림 5A)과 동일한 방법으로 생성된 스페로이드 경계를 기반으로 한 초과 주변 지수(그림 5B) 측면에서 스페로이드의 침습성에 대한 추가 평가를 수행했습니다. 거칠기가 높다는 것은 더 많은 세포가 스페로이드에서 겔로 이동한다는 것을 의미하며, 이는 더 높은 침습성을 나타냅니다. 대조군의 결과는 상이한 약물 농도 수준과 비교되었다. 침습성 세포주인 NCI-H23의 경우, 스페로이드 거칠기 및 EPI 값은 약물 처리 없이 배양 시간에 따라 모두 증가했으며(18), 이는 대조군 샘플의 명시야 이미지와 직경 증가로 입증될 수 있습니다. 그러나 AMG510 처리에 의해 성장이 약화되었으며, 이는 전적으로 크기 변화에 비례합니다.

그림 5: 처리되지 않은 대조군 및 AMG510 처리된 샘플 그룹의 종양 경계 인식. 약물은 1일째에 추가되었습니다. (A) 종양 거칠기는 1일, 4일, 7일 및 10일에 소프트웨어에 의해 측정되었으며, 이는 종양 스페로이드의 침습성을 나타냅니다. (B) 스페로이드 둘레는 딥 러닝 알고리즘을 사용하여 소프트웨어에 의해 위치되고 그려졌습니다. 그런 다음 초점면의 스페로이드 영역을 이미지 J로 측정하고 이러한 데이터를 기반으로 초과 주변 지수를 계산했습니다. 각 종양 스페로이드를 치료하기 위해 사용된 AMG510 농도는 0.001 μM 내지 5 μM로 설정하였다. 모든 데이터는 평균 ± SEM(n=3)으로 제시된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충표 1: 플레이트의 조성. 실험에는 항폐종양제인 AMG510을 사용하였으며, 약물 구배에 따라 군을 설정하였다. 두 개의 플레이트가 사용되었는데, 하나는 생존도 분석 키트 테스트용이고 다른 하나는 이미징 분석용입니다.
보충 표 2: 3D 종양 구성 및 약물 테스트에 사용된 세포주. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
이 글에서는 3차원 종양 스페로이드를 구성하기 위한 표준화된 방법을 보여줍니다. 자동화된 이미징 시스템을 사용한 스페로이드 관찰 및 이미지 기반 딥러닝 분석을 위한 전략도 설명합니다.
중요한 의견과 제안을 해주신 모든 실험실 구성원에게 감사드립니다. 이 연구는 Jiangsu Commission of Health (K2019030)의 핵심 프로젝트에 의해 지원되었습니다. 개념화는 C.W.와 Z.C.에 의해, 방법론은 W.H.와 M.L.에 의해 수행되었고, 조사는 W.H.와 M.L.에 의해 수행되었고, 데이터 큐레이션은 W.H., Z.Z., S.X., M.L.에 의해 수행되었고, 원래 초안 준비는 Z.Z., J.Z., S.X., W.H., 및 X.L., 검토 및 편집은 Z.C.에서, 프로젝트 관리는 C.W.와 Z.C.에서, 자금 조달은 C.W.에서 수행했습니다. 모든 저자는 출판된 버전의 원고를 읽고 동의했습니다.
| 0.5-10 &무; L 피펫 팁 | AXYGEN | T-300 | |
| 1.5 mL 종기 방지 마이크로튜브 | Axygen | MCT-150-C | |
| 100-1000μ L 피펫 팁 | KIRGEN | KG1313 | |
| 15 mL 원심분리기 튜브 | 네스트 | 601052 | |
| 200 μ L 피펫 팁 | AXYGEN | T-200-Y | |
| 3D 젤 | Avatarget | MA02 | |
| 48-웰 U 바닥 플레이트 | Avatarget | P02-48UWP | |
| 50 mL 원심분리기 튜브 | 네스트 | 602052 | |
| Alamar Blue | Thermo | DAL1100 | |
| 접착 방지 헹굼 용액 | STEMCELL# | 07010 | |
| 인증 FBS | BI | 04-001-1ACS | |
| 탈이온수 | 알라딘 | W433884-500ml | |
| DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) | Gibco | 11965-092 | |
| DMSO | sigma | D2650-100ML | |
| Excel 소프트웨어 | Microsoft Office | ||
| Graphpad 프리즘 소프트웨어 | GraphPad 소프트웨어 | ||
| High Content Imager 및 SMART 시스템 | Avatarget | 1-I01 | |
| Image J 소프트웨어 | National Institutes of Health | ||
| Insulin-Transferrin-Selenium-A Supplement (100X) | Gibco | 51300-044 | |
| Parafilm | Bemis | PM-996 | |
| PBS | Solarbio | P1020 | |
| Penicillin/ 스트렙토마이신 Sol | Gibco | 15140-122 | |
| RPMI 1640 | Gibco | 11875-093 | |
| Scientific Fluoroskan Ascent | Thermo | Fluoroskan Ascent | |
| T25 Flask | JET Biofil | TCF012050 | |
| Trypsin, 0.25% (1X) | Hyclone | SH30042.01 |