환자 유래 종양 오가노이드는 기초 및 중개 연구를 위한 정교한 모델 시스템입니다. 이 방법 기사에서는 다양한 오가노이드 표현형의 동시 역학 평가를 위한 다중 형광 라이브 셀 이미징의 사용에 대해 자세히 설명합니다.
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방법 논문
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환자 유래 종양 오가노이드는 기초 및 중개 연구를 위한 정교한 모델 시스템입니다. 이 방법 기사에서는 다양한 오가노이드 표현형의 동시 역학 평가를 위한 다중 형광 라이브 셀 이미징의 사용에 대해 자세히 설명합니다.
암 환자 유래 오가노이드(PDO) 모델은 암 세포주와 비교하여 인간 질병을 더 잘 재현하는 다기능 연구 시스템입니다. PDO 모델은 세포외 기저막 추출물(BME)에서 환자 종양 세포를 배양하고 3차원 돔으로 도금하여 생성할 수 있습니다. 그러나 단층 배양에서 표현형 분석에 최적화된 시판되는 시약은 BME와 호환되지 않는 경우가 많습니다. 여기에서는 자동화된 라이브 셀 이미징 시스템을 사용하여 PDO 모델을 도금하고 약물 효과를 평가하는 방법을 설명합니다. 또한 kinetic 측정과 호환되는 형광 염료를 적용하여 세포 건강과 세포 사멸을 동시에 정량화합니다. 이미지 캡처는 며칠에 걸쳐 일정한 시간 간격으로 발생하도록 사용자 지정할 수 있습니다. 사용자는 개별 Z 평면 이미지 또는 여러 초점면의 연속 이미지의 Z 프로젝션에서 약물 효과를 분석할 수 있습니다. 마스킹을 사용하여 PDO 번호, 면적 및 형광 강도와 같은 특정 관심 파라미터를 계산합니다. 당사는 세포 독성 물질이 세포 건강, 세포 사멸 및 생존력에 미치는 영향을 입증하는 개념 증명 데이터를 제공합니다. 이 자동화된 키네틱 이미징 플랫폼은 암의 PDO 모델에서 다양한 치료 효과를 이해하기 위해 다른 표현형 판독으로 확장될 수 있습니다.
환자 유래 종양 오가노이드(PDO)는 암 발생 및 치료 반응을 연구하기 위한 강력한 모델 시스템으로 빠르게 부상하고 있습니다. PDO는 원발성 종양 1,2의 복잡한 게놈 프로필과 구조를 재현하는 3차원(3D) 세포 배양 시스템입니다. 불멸화된 암 세포주의 전통적인 2차원(2D) 배양과 달리, PDO는 종양 내 이질성 3,4을 포착하고 유지하므로 기계론적 연구와 중개 연구 모두에 유용한 도구입니다. PDO가 점점 더 대중화된 모델 시스템이 되고 있지만, PDO 배양과 호환되는 세포 효과에 대한 상업적으로 이용 가능한 시약 및 분석 방법은 제한적입니다.
치료 반응의 미묘한 변화를 분석할 수 있는 강력한 방법이 없기 때문에 임상 번역이 방해를 받습니다. 3D 배양에서 최고의 세포 건강 시약인 CellTiter-Glo 3D는 ATP 수준을 세포 생존율의 결정 요인으로 활용합니다 5,6. 이 시약은 종말점 분석에 유용하지만 몇 가지 주의 사항이 있으며, 특히 분석 완료 후 다른 목적으로 샘플을 사용할 수 없다는 점이 가장 두드러집니다.
살아있는 세포 이미징은 형광 시약과 결합할 때 세포사멸 7,8,9 및 세포 독성10을 포함하여 PDO 모델 내에서 다양한 세포 건강 판독값을 정량화할 수 있는 정교한 형태의 키네틱 현미경입니다. 실제로, 살아있는 세포 이미징은 2D 플랫폼에서 화합물의 고처리량 스크리닝에 필수적이었습니다11,12. Incucyte와 같은 시스템은 기술을 저렴하게 만들어 다양한 환경에서 연구 그룹에 액세스할 수 있도록 했습니다. 그러나 3D 배양을 분석하기 위한 이러한 시스템의 적용은 아직 초기 단계에 있습니다.
여기에서는 다중 생세포 이미징을 사용하여 암의 PDO 모델에서 약물 반응을 평가하는 방법을 설명합니다(그림 1). 명시야 이미지 분석을 통해 PDO 크기 및 형태 변화를 운동학적으로 모니터링할 수 있습니다. 또한 세포 사멸을 위한 Annexin V Red Dye 및 세포 독성을 위한 Cytotox Green Dye와 같은 형광 시약을 사용하여 시간 경과에 따라 세포 과정을 동시에 정량화할 수 있습니다. 제시된 분석법은 Cytation 5 live-cell imaging system에 최적화되어 있지만, 이 프로토콜은 다양한 live-cell imaging 플랫폼에 적용될 수 있습니다.
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인간 종양 표본을 사용한 연구는 아이오와 대학교 IRB(Institutional Review Board), 프로토콜 #201809807의 검토 및 승인을 받았으며 1964년 헬싱키 선언 및 이후 개정안에 명시된 윤리 기준에 따라 수행되었습니다. 연구에 참여한 모든 피험자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다. 포함 기준에는 암 진단과 종양 표본의 가용성이 포함됩니다.
1. 96웰 플레이트에 온전한 PDO 도금
2. 멀티플렉싱을 위한 형광 염료의 처리 및 첨가
3. 이미징 파라미터 설정
4. Gen5 소프트웨어의 이미지 분석 (그림 2)
5. Gen5에서 Excel로 데이터 내보내기
6. 외부 데이터 분석
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우리의 목표는 PDO 치료 반응을 평가하기 위해 다중 라이브 셀 이미징을 사용하는 타당성을 입증하는 것이었습니다. 개념 증명 실험은 자궁내막암의 두 가지 개별 PDO 모델인 ONC-10817 및 ONC-10811에서 수행되었습니다(ONC-10811 데이터는 보충 그림 1 및 보충 그림 2 참조). 세포사멸(Apoptosis, annexin V 염색) 및 세포독성(Cytotox Green uptake)은 세포사멸 유도제인 스타우로스포린(staurosporine)에 반응하여 운동학적으로 모니터링되었습니다. 구체적으로, PDO를 96웰 플레이트에 도말하고, Annexin V Red 및 Cytotox Green 염료로 처리하고, 그림 1의 다이어그램과 같이 37°C 인큐베이터에 하룻밤 동안 배치했습니다. 두 개의 독립적인 PDO 모델에서 Annexin V 및 Cytotox Green 염료를 사용한 처리가 독성이 없음을 확인...
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PDO 배양은 세포 반응과 거동을 반영할 수 있는 능력으로 인해 체외 모델 시스템에서 점점 더 인기를 얻고 있다2. PDO 생성, 배양 및 확장 기술에서 상당한 발전이 이루어졌지만 치료 반응을 분석하는 방법은 뒤처져 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 3D 생존도 키트는 용해 종말점 분석으로, 잠재적으로 가치 있는 역학 반응 데이터를 놓치고 다른 방법에 의한 후속 분석을 제한한다8. 새로운 연구에서는 PDO 모델에서 약물 반응을 평가하기 위해 라이브 셀 이미징을 적용하고 있습니다. 여기에서는 다중 형광 생세포 이미징을 활용하여 시간 경과에 따른 PDO 치료 반응을 평가하는 방법을 제시합니다. 형광 염료를 다중화하면 서로 다른 세포 반응을 동시에 정량화할 수 있습니다. 세포사멸 및 세포독성 외에도 이 접근법은 PDO의 다른 표현형 효과를 조사하기 위해 향후 연구에서 확장될 수 있을 것으로 예상합니다.
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KWT는 Immortagen Inc.의 공동 소유주이며, CJD는 애질런트의 직원입니다. JSdB는 Amgen, Astra Zeneca, Astellas, Bayer, Bioxcel Therapeutics, Boehringer Ingelheim, Cellcentric, Daiichi, Eisai, Genentech/Roche, Genmab, GSK, Harpoon, ImCheck Therapeutics, Janssen, Merck Serono, Merck Sharp & Dohme, Menarini/Silicon Biosystems, Orion, Pfizer, Qiagen, Sanofi Aventis, Sierra Oncology, Taiho, Terumo 및 Vertex Pharmaceuticals로부터 자문 위원회에서 활동하며 수수료를 받았습니다. AZ, 아스텔라스, 바이엘, 셀센트릭, 다이이치, 제넨테크, 젠맙, GSK, 얀센, 머크 세로노, MSD, 메나리니/실리콘 바이오시스템즈, 오리온, 사노피 아벤티스, 시에라 온콜로지, 타이호, 화이자, 버텍스로부터 연구 연구에 대한 자금 지원 또는 기타 지원을 받은 암 연구소(ICR)의 직원이며, DNA 복구 결함 암에서 아비라테론, PARP 억제에 상업적 관심을 가지고 있습니다. 및 PI3K/AKT 경로 억제제(개인 소득 없음); 코르티코스테로이드와 함께 아비라테론 아세테이트의 사용을 다루는 Janssen이 제출한 특허 8 822 438에 대한 재정적 이해관계가 없는 발명자로 지명되었습니다. 많은 업계 후원 임상 시험의 CI/PI였습니다. 미국 국립보건연구소(NIHR) 선임 연구원입니다. 다른 저자는 공개할 잠재적인 이해 상충이 없습니다.
환자 종양 표본을 제공해준 아이오와 대학의 조직 조달 코어(Tissue Procurement Core)와 크리스틴 콜먼(Kristen Coleman) 박사, PDO 모델 생성에 도움을 준 산부인과의 소피아 가브릴로비치(Sofia Gabrilovich) 박사에게 감사드립니다. 또한 원고를 비판적으로 분석해 주신 Valerie Salvatico 박사(미국 애질런트)에게도 감사드립니다. 우리는 다음과 같은 자금 출처를 인정합니다 : NIH / NCI CA263783 및 DOD CDMRP CA220729P1 KWT로; 영국 암 연구(Cancer Research UK), 영국 전립선암 협회(Prostate Cancer UK), 전립선암 재단(Prostate Cancer Foundation) 및 의학 연구 위원회(Medical Research Council)에서 JSdB로 이동합니다. 연구비 지원자들은 실험의 설계나 분석, 출판 결정에 아무런 역할도 하지 않았다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 마이크로 원심분리기 튜브 | Dot Scientific Inc | 1008113 | |
| 15 mL 원추형 원심분리기 튜브 | Sarstedt | 62.554.100 | |
| 554 NM LED 큐브 | 애질런트 | 1225012 | |
| 96-웰 플레이트 | Corning Costar | 3596 37 | 도로 예열됨; C |
| 96웰 플레이트 | Agilent | 204626-100 | 37°C로 예열됨; C |
| A83-01 | Tocris | 2939 | 최종 농도는 500 nM (오가노이드 배양 배지의 성분) |
| 고급 DMEM/F-12 | Gibco | 12634-010 | 오가노이드 배양 배지의 성분 |
| B27 보충제 | Gibco | 17504044 | 최종 농도는 1x(유기노이드 배양 배지의 성분) |
| BioTek BioSpa 8 자동 인큐베이터 | Agilent | BIOSPAG-SN | 탁상 인큐베이터; BioSpa OnDemand 스케줄링 소프트웨어는 Gen5와 결합하여 이미징을 위해 BioSpa와 Cytation 5 간에 플레이트를 전송합니다(이 프로토콜은 버전 1.01.10 사용) |
| BioTek Cytation 5 세포 이미징 멀티모드 리더 | , Agilent | CYT5PW-SN | 플레이트 리더; 이 장치에는 Gen5 소프트웨어가 사용됩니다(이 프로토콜은 버전 3.12.08 사용) |
| Cultrex UltiMatrix 저성장 인자 기저막 추출물 | R& D Systems | BME001-10 | |
| Daunorubicin HCl | Sigma-Aldrich | S3035 | DMSO |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D2438 | |
| EDTA (0.5 M) | Thermo Fisher | AM9260G | |
| Forskolin | Tocris | 1099 | 최종 농도는 10 µ입니다. M (오가노이드 배양 배지의 성분) |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | 최종 농도는 1x (오가노이드 배양 배지의 성분) |
| HEPES | Gibco | 15630-080 | 최종 농도는 10 mM (오가노이드 배양 배지의 성분) |
| 인간 EGF, 동물 무첨가 재조합 단백질 | Gibco | AF-100-15-1MG | 최종 농도는 0.5 ng/mL (오가노이드 배양 배지의 성분)입니다. |
| Human FGF-10 Recombinant Protein | Gibco | 100-26-1MG | 최종 농도는 10ng/mL(오가노이드 배양 배지의 성분) |
| Human R-Spondin 1 Recombinant Protein | Gibco | 120-38-5UG | 최종 농도는 250ng/mL(오가노이드 배양 배지의 성분) |
| Hydrocortisone Stock Solution | StemCell Technologies | 7926 | 최종 농도는 500ng/mL(오가노이드 배양 배지의 성분)입니다. |
| 이미징 필터 큐브 - GFP | Agilent | 1225101 | |
| 이미징 필터 큐브 - TRITC | Agilent | 1225125 | |
| Imaging LED GFP/CFP | Agilent | 1225001 | |
| Incucyte Annexin V Red Dye | Sartorius | 4641 | 오가노이드 배양 배지에서 재구성 |
| Incucyte Cytotox Green Dye | Sartorius | 4633 | DMSO 솔루션 |
| N-Acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich | A7250 | 최종 농도는 1.25mM(오가노이드 배양 배지의 구성 요소) |
| Nexcelom Bioscience ViaStain AOPI 염색 용액 | Fisher-Scientific | 13366169 | 1:50 부피 |
| 추가 Nicotinamide | Sigma-Aldrich | N0636 | 최종 농도는 10mM(오가노이드 배양 배지의 구성 요소) |
| Noggin | R& D Systems | 6057-NG | 최종 농도는 100ng/mL(오가노이드 배양 배지의 구성 요소) |
| 페니실린-스트렙토마이신 | Gibco | 15140122 | 최종 농도는 10 units/mL(오가노이드 배양 배지의 구성 요소) |
| 인산염 완충 식염수(1x) | Gibco | 14190-144 | |
| Primocin | InvivoGen | ant-pm-05 | 최종 농도는 100 µ입니다. g/mL (오가노이드 배양 배지의 성분) |
| 재조합 인간 헤레굴린&베타;-1 | Pepro Tech | 100-03 | 최종 농도는 37.5 ng/mL (오가노이드 배양 배지의 성분) |
| 스트렙토마이세스 sp.의 스타우로스포린 용액입니다. | Sigma-Aldrich | S6942 | |
| TrypLE Express | Life Technologies | 12604013 | |
| Y-27632, CAS 331752-47-7 | Sigma-Aldrich | 688000 | 최종 농도는 5 &마이크로입니다. M (오가노이드 배양 배지의 성분) |
| β -Estradiol | Sigma-Aldrich | E2758 | 최종 농도는 100 nM (오가노이드 배양 배지의 성분)입니다. |
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