본 논문에서는 광학 핀셋을 이용한 하이브리드 스페로이드 제조를 위한 프로토콜을 제안합니다. 이 방법을 사용하면 다른 방법으로는 달성할 수 없는 스페로이드 형성 과정의 초기 단계를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
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본 논문에서는 광학 핀셋을 이용한 하이브리드 스페로이드 제조를 위한 프로토콜을 제안합니다. 이 방법을 사용하면 다른 방법으로는 달성할 수 없는 스페로이드 형성 과정의 초기 단계를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
2차원(2D) 세포 배양은 여전히 전임상 암 연구에서 가장 일반적으로 사용되는 모델 중 하나입니다. 그러나 3차원(3D) 체외 모델은 보다 관련성이 높은 구조적 형태, 미세환경 및 약물에 대한 반응을 포함하여 생체 내 환경을 보다 정확하게 평가하는 것으로 보입니다.
광학 트래핑은 하나 이상의 집중된 레이저 빔을 사용하여 나노 및 마이크로 스케일에서 구조의 위치, 동작, 상호 작용 및 역학을 비침습적으로 조작합니다. 광학 핀셋(OT)은 세포 생물학에서 수많은 응용 분야를 찾았습니다. 그러나 암 연구에서 그들의 잠재력은 여전히 과소평가되고 있습니다. 이 논문에서는 광학 핀셋을 사용하여 림프종 기질 세포 스페로이드 형성을 위한 비침습적 프로토콜을 권장합니다. 이 방법은 하이브리드 스페 로이드 를 새로 구축할 뿐만 아니라 부착된 세포의 수와 접착 형성 시간을 제어할 수 있어 조직 공학에 중요한 정보 소스를 제공합니다. 또한 OT는 표준 벌크 기술로는 달성할 수 없는 하이브리드 스페로이드 형성의 초기 단계에 대한 연구를 가능하게 합니다. 중요한 것은 설명된 모델을 사용하여 항암제에 의해 유도된 접착력의 최소 변화를 연구할 수 있다는 것입니다. 이 프로토콜은 다른 세포 유형에 쉽게 적용할 수 있습니다.
3차원(3D) 세포 모델은 여러 가지 기능적, 구조적 특성에서 종양 조직과 더 유사하기 때문에 암 연구를 가속화하고 있습니다. 여기에는 무엇보다도 세포 외 기질 생성, 세포 간의 상호 작용, 영양소 및 산소 구배 유지, 치료에 대한 유사한 반응 1,2,3,4 등이 포함됩니다. 최근에는 생체 내 조건을 더 잘 반영하기 위해 다양한 세포 유형을 포함하는 고급 이기종 3D 모델이 개발되었습니다 5,6,7.
B세포 비호지킨 림프종(B-NHL)은 면역 체계의 필수 구성 요소인 B 림프구에서 유래한 이질적인 악성 종양 그룹입니다8. 다양한 임상적 양상과 조직학적 특징을 특징으로 하는 B-NHL은 임상 과정이 장기화되는 나태한 형태부터 빠르게 진행되는 공격적인 변종에 이르기까지 다양한 장애를 포괄합니다 9,10. B-NHL 및 기타 혈액 악성 종양의 발병기전은 종종 종양 미세환경의 영향과 관련이 있습니다11,12. 예를 들어, 림프종 세포는 종종 골수로 퍼져 생명을 위협하는 합병증을 유발할 수 있습니다13. 골수 틈새의 핵심 구성 요소인 중간엽 기질 세포(mesenchymal stromal cell, MSC)는 주로 직접적인 세포-세포 상호 작용을 통해 종양 성장 및 진행에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다14 15,16,17; 따라서 이러한 상호 작용을 연구할 수 있는 모델을 시급히 개발할 필요가 있습니다. 우리는 이전에 MSC가 림프종 세포와 아가로스 하이드로겔에서 공동 배양될 때 다세포 스페로이드로 자가 응집되며, 기질 세포가 코어를 형성하고 림프종 세포로 균일하게 둘러싸여 있음을 확인했습니다18. 이 논문에서는 광학 핀셋을 사용하여 하이브리드 림프종-기질 세포 3D 모델을 제작하기 위한 프로토콜을 제시합니다.
35년 전, Ashkin은 집속 레이저 빔19에 의한 바이러스와 박테리아의 비침습적 광학 포획 현상을 처음으로 보고했습니다. 요즘 광학 핀셋(OT)은 세포 생물학 연구를 포함하여 생물 의학 분야에서 역동적으로 증가하는 영향을 미치고 있습니다 20,21,22,23. OT를 통해 개별 세포의 물리-기계적 특성뿐만 아니라 24,25,26 뿐만 아니라 단일 세포 수준에서의 직접적인 세포-세포 상호 작용, 더 나아가 2D 및 3D 세포 배열 및 구조화 27,28,29를 연구할 수 있었습니다. 광학 트래핑 기술은 전자기 복사(광자)로 가해지는 몇 피코네톤 정도의 광학적 힘을 기반으로 하며, 이는 물질30과 상호 작용할 때 운동량을 변경합니다. 결과적으로, 하나 이상의 레이저 빔을 사용함으로써, 작업자는 마이크로 및 나노 스케일20에서 물체의 위치, 동작 및 역학을 선택적으로 조작할 수 있습니다. 실제로, 광학적 트래핑 기법은 살아있는 세포의 선택적이고 비파괴적인 트래핑을 허용하여 다른 세포 또는 분자의 표면과 접촉하게 하고 접착 과정(31)의 시작을 트리거합니다. 위의 기능을 사용하여 먼저 단일 림프종 세포를 기질 세포의 단층에 광학적으로 배치하여 접착 특성을 조사하려고 시도했습니다. 다음으로, 실시간 모드33에서 다세포 스페로이드를 물리적으로 재현하는 광학 핀셋의 능력을 평가했습니다. 이를 달성하기 위해 개별 림프종 세포를 하나씩 포획하여 미리 준비된 3D 기질 스페로이드에 부착했습니다. 광학 트래핑의 또 다른 적용 가능성은 최소 세포-세포 접착 시간을 측정하고 항암 치료로 인한 접착력의 미세한 변화를 평가하는 것이었습니다34,35. 3D 모델은 암 연구에 널리 사용되지만 스페로이드 형성의 초기 단계를 연구하는 것은 여전히 어렵습니다. 이는 주로 미시세계를 높은 정밀도와 최소한의 침습적 충격으로 동시에 만질 수 있는 방법의 가용성이 제한되어 있기 때문입니다. 반대로, OT의 모든 잠재력은 3D의 세포 배열 및 구조 범위 내에서 아직 달성되지 않았습니다. 따라서 본 논문에서는 광학 핀셋의 표준 3D 기술과 조작을 사용하여 3D 림프종 구축물을 생성하는 결합된 워크플로우를 단계별로 설명합니다. 중요한 것은 이 프로토콜이 혈액병리학적 악성 종양에서 중요한 다른 세포 유형과 함께 사용하도록 쉽게 조정될 수 있다는 것입니다.
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1. 아가로스 젤 기반 마이크로몰드 제작
참고: 모든 세포 배양을 처리할 때 적절한 무균 기술이 필수적입니다. 이 프로토콜에 사용된 모든 시약은 Table of Materials에 나열되어 있습니다. 그림 1A와 같이 단일 실험을 위해 MSC가 포함된 3개의 겔을 준비합니다.

그림 1: 중간엽 기질 세포(MSC) 스페로이드의 준비. (A) 아가로스 마이크로몰드를 제조하는 단계를 묘사한 그림. (B) 중간엽 기질 세포(MSC)의 파종 및 중간엽 스페로이드의 배양. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 중간엽 기질 세포(MSC) 스페로이드의 제조
3. 림프종 세포의 배양 및 광학 포획을 위한 준비
참고: 림프종 세포를 포함한 혈액 세포주는 배양 플레이트나 용기에 부착하지 않고 현탁 배양을 위해 설계된 플라스크의 배양 배지에서 자유롭게 성장합니다. 최적의 세포 특성을 유지하려면 광학 핀셋을 사용하여 하이브리드 스페로이드를 조립하는 절차 30분 전에 샘플 준비를 시작하는 것이 좋습니다. 중요한 것은 이 섹션에서 설명하는 프로토콜은 Ri-1 인간 림프종 세포주에 대한 것이지만 유사한 프로토콜이 다른 혈액암 세포주에도 적용된다는 것입니다.
4. 광학 핀셋 시스템 설정
참고: 아래 프로토콜은 맞춤형 광학 핀셋36 (그림 2A)을 위해 특별히 개발되었습니다. 그러나 이 분석은 상업적으로 이용 가능한 다른 포획 시스템과 함께 사용할 수 있습니다. 사용 가능한 장비 유형에 관계없이 시스템 준비를 위한 기본 단계(예: 레이저 및 컴퓨터 소프트웨어 시작, 샘플 장착, 광학 트랩에서 셀 이동 가능성 테스트)는 동일하게 유지됩니다. 모든 실험은 실온, 즉 25°C에서 수행되었습니다.

그림 2: 광학 핀셋에 의한 하이브리드 스페로이드 생성의 작동 메커니즘을 보여주는 개략도. (A) 맞춤형으로 설계된 광학 핀셋 설정. (B) 개별 림프종 세포를 MSC 스페로이드 표면에 부착하는 과정. 단일 림프종 세포를 광학적으로 포획하여 안정적인 연결이 형성될 때까지 기질 스페로이드의 표면에 부착했습니다. 이 과정은 기질 스페로이드의 전체 표면이 림프종 세포로 덮일 때까지 계속되었습니다. (C) CD20에 대한 단클론 마우스 항-CD20 항체를 사용하여 하이브리드 스페로이드 절편의 면역조직화학적 염색의 대표적인 이미지를 얻었습니다. 면역염색은 제조사의 지침에 따라 오토염색기( Table of Materials) 상에서 CD20에 대한 단클론 마우스 항-인간 항체를 사용하여 수행하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 광학 핀셋을 이용한 하이브리드 스페로이드 생성
6. 스페로이드 생존 능력의 결정
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이전 연구 결과에서는 림프종 세포와 함께 배양된 중간엽 기질 세포가 암세포가 균일하게 부착하는 균질한 기질 코어를 구성한다는 것을 보여주었습니다18. 이 연구에서는 맞춤형 광학 핀셋을 사용하여 중간엽 기질 세포와 림프종 세포로 구성된 인간 하이브리드 스페로이드를 성공적으로 설계했습니다. 그림 2B 는 광학 핀셋 시스템의 필수 부분인 명시야 현미경의 대표적인 스페로이드를 보여줍니다. 차례로, 그림 2C 는 항-CD20 항체37을 사용한 하이브리드 스페로이드의 면역조직화학적 염색을 보여줍니다. CD20은 이러한 세포의 대다수에 존재하는 B 세포의 일반적인 마커입니다. 하이브리드 스페로이드 구성에 사용되는 모든 림프종 세포는 CD20 항원을 발현하고 갈색으로 염색되는 반면, 기질 세포는 CD20 음성입니다.
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이 연구에서는 중간엽 기질 코어와 림프종 세포의 하이브리드 스페로이드를 광학 핀셋을 사용하여 실시간으로 엔지니어링했습니다. 트래핑 시스템을 포함한 새로운 레이저 기반 기술이 현재 상용화되고 있으며 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 그러나 현재까지 대부분의 광학 핀셋은 계속해서 맞춤형 기기입니다. 따라서, 교정, 작동 절차 및 실험 형상은 실험실마다 다를 수 있다38,39. 이 프로토콜은 하이브리드 스페로이드를 실시간으로 제작하기 위해 상용 및 맞춤형 광학 핀셋 시스템을 설정하는 데 필요한 기본 정보를 설명합니다. 광학 핀셋은 숙련된 직원과 함께 첨단 연구 실험실에서 수행되는 실험에 필요한 유연성을 갖추고 있지만, 살아있는 세포를 비침습적으로 "만질" 수 있는 이 방법의 큰 잠재력을 보고 암 연구 분야에 이를 전파하기를 희망했습니다. 특히, OT는 표준 벌크 3D 기술...
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저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
저자는 신중한 편집으로 연구의 명확성을 크게 향상 시킨 Nicholas Czarnik에게 진심으로 감사드립니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| &마이크로;-접시 35mm, 높은 유리 바닥 | IBIDI | 81158 | |
| 12-256 mico-mold 3D PetriDish | Microtissues Inc., RI, USA | 12-256TR | |
| 3 &마이크로; m 폴리스티렌 마이크로스피어 | Polysciences | 17134-15 | |
| anti CD20 항체 (클론 L26) | Dako | IS604 | |
| 자동 세포 카운터, EVE | NanoEntek | EVE/ EVE-MC | |
| Autostainer Link 48 | Dako | D09634 | |
| 카메라 | 올림푸스 | U-TV0.63XC | |
| CelCulture CO2 인큐베이터 | Esco Technologies, Inc. | CCL | |
| 세포 계수 슬라이드, EVE | NanoEntek | NE-EVS | |
| 세포주 HS-5 | ATCC | CRL-3611 | |
| 세포주 Ri-1 | 디에스엠즈 | ACC 585 | |
| 태아 소 혈청 | Gibco | A5256701 | |
| 형광 현미경 | Olympus | BX43 | |
| ImageJ 프로그램 | National Institutes of Health, MD, USA | ||
| 반전 현미경 | Olympus | IX73 | |
| Live/Dead 시약 키트 | Thermo Fisher Scientific | L3224 | |
| 페니실린-스트렙토마이신(10,000 U/mL) | Gibco | 15140122 | |
| 인산염 완충 식염수, pH 7.4 | Gibco | 10010023 | |
| RPMI 1640 배지 | Gibco | 11875093 | |
| 염화나트륨 용액 | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| 염화나트륨 용액 0.9 %, 멸균 | ITW ReITW 시약, S.R.L.agents, S.R.L. | A1671 | |
| Trypan Blue Solution, 0.4% | Gibco | 15250061 | |
| TrypLE Express Enzyme(1X), 페놀 레드 | 없음 Gibco | 12604013 | |
| Trypsin-EDTA(0.05%), 페놀 레드 | Gibco | 25300096 | |
| UltraPure Agarose | Invitrogen | 16500500 | |
| 광학 핀셋 설정 | |||
| Dichroic 미러 | Thorlabs | DMSP805R | |
| 디지털 카메라 | Mikrotron GmbH | MC1362 | |
| Galvano-mirror XY 스캐닝 시스템 | Thorlabs | GVS002 | |
| 도립 현미경 | 올림푸스 | IX71 | |
| 렌즈 1 | Thorlabs | AC254-050-B-ML | |
| 렌즈 2 | Thorlabs | AC508-200-B-ML | |
| Nd:YAG 1064 nm 레이저 | 레이저 Quantum | Ventus |
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