본 프로토콜은 복합 형질전환 제브라피시를 생성하는 방법, 제브라피시 유생 및 성체 내 종양 관련 면역 세포를 이미징하는 방법, 그리고 종양 미세환경 내 면역 세포 빈도를 정량화하는 방법을 설명합니다.
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본 프로토콜은 복합 형질전환 제브라피시를 생성하는 방법, 제브라피시 유생 및 성체 내 종양 관련 면역 세포를 이미징하는 방법, 그리고 종양 미세환경 내 면역 세포 빈도를 정량화하는 방법을 설명합니다.
종양 미세환경(TME)으로의 면역 세포 모집은 면역 조절 및 종양 진행의 중요한 구성 요소입니다. 생체 내(in vivo)에서 면역 세포와 종양 세포 간의 공간적 및 시간적 관계를 연구하면 TME 내의 상호작용에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 그러나 기존의 이미징 및 조직학적 접근 방식으로는 온전한 생물체 내에서 이러한 상호작용을 시각화하고 정량화하는 것이 여전히 어렵습니다. 제브라피시는 유전적 다루기 쉬움, 빠른 발달, 초기 발달 단계에서의 광학적 투명성 덕분에 암 연구에 가치 있는 모델이 되며, 형광 표지된 세포를 in vivo로 시각화할 수 있게 해줍니다. 본 프로토콜에서는 신경모세포종 제브라피시 모델에서 서로 다른 형광 마커로 표지된 면역 세포와 종양 세포를 생성, 식별, 이미징 및 정량화하는 방법을 제시합니다. 이 프로토콜에는 복합 형질전환 제브라피시의 교배 및 스크리닝, 치어의 생체 이미징, 성체 종양 보유 어류의 준비 및 이미징, 그리고 종양 영역 주변 및 내부의 면역 세포 정량화가 포함됩니다. 형질전환 리포터 라인을 사용하여, CD4+ 면역 세포와 MYCN 유도 신경모세포종 세포를 서로 다른 발달 단계에서 시각화하고 분석할 수 있습니다. 이 워크플로우를 통해 치어와 성체 어류 모두에서 종양에 대한 면역 세포의 위치를 평가할 수 있으며, 질병 단계별 면역 세포의 풍부도를 비교하는 데 사용할 수 있습니다. 본 프로토콜은 제브라피시를 이용해 TME 내 면역 세포를 in vivo로 이미징하고 정량화하는 재현 가능한 방법을 제공하며, 다른 암 모델에서의 면역-종양 상호작용 연구를 촉진할 수 있을 것입니다.
종양 미세환경(TME)은 종양, 면역, 섬유아세포 및 혈관 세포로 구성된 생태계입니다1. TME는 암의 진행, 치료 반응 및 항종양 면역에서 필수적인 역할을 합니다. TME 내에서 면역 세포는 항종양 반응에 참여하거나 면역 억제를 유도함으로써 종양의 운명을 결정하는 핵심 조절자로 작용합니다2. TME 내 면역 세포의 모집, 분포 및 기능을 이해하는 것은 종양이 면역 감시를 회피하는 메커니즘을 규명하는 데 매우 중요합니다. 그러나 종점 조직학, 유세포 분석 및 단일 세포 시퀀싱과 같은 TME 연구의 전통적인 접근 방식은 정적인 스냅샷만을 제공하며, 종종 조직 구조의 파괴를 요구하여 공간 정보와 세포 간 상호작용의 손실을 초래합니다3,4,5,6,7. 또한, 이러한 방법들은 특히 종양 발생 초기 단계에서 TME 내의 면역 세포를 시각화하고 정량화하는 능력에 한계가 있습니다.
제브라피시(Danio rerio)는 비용이 저렴하고 발달 속도가 빠르며, 상대적으로 투명하고 유전적 보존성이 높아 암 연구에 매우 유용한 모델입니다8,9. 이러한 장점 덕분에 대규모 샘플 확보가 가능하고 짧은 시간 내에 효율적인 현미경 스크리닝을 수행할 수 있는 재현 가능하고 확장 가능한 실험 시스템을 제공합니다10. 특히 제브라피시는 선천성 및 적응성 면역 체계의 핵심 구성 요소를 포함하여 인간과 상당한 면역학적 보존성을 공유하므로, 연구 결과가 인간 질환과 밀접한 관련이 있습니다11. 이러한 특성은 신경모세포종과 같은 소아암을 연구하는 데 특히 유용합니다8. 이에 따라 수많은 제브라피시 면역 리포터 라인과 암 모델이 개발되었습니다11. 따라서 제브라피시는 종양 세포와 면역 세포 간의 상호작용을 연구하는 귀중한 in vivo 모델로 활용되며, 특히 초기 단계에서 면역 조절이 종양 발달에 어떤 영향을 미치는지에 대한 통찰을 제공합니다.
제브라피시의 종양미세환경(TME)을 조사한 이전 연구들은 주로 종양 내 면역 세포의 국소화를 평가하기 위해 종양 이종이식 모델과 종단 이미지 촬영을 결합한 방식에 크게 의존해 왔습니다12,13,14,15,16,17. 이러한 방법들은 유용한 통찰을 제공하지만, 2차원 이미지 촬영에 의존한다는 한계가 있어 TME의 3차원적 구조와 발달 과정 중 종양 및 면역 세포 간의 공간적 관계를 충분히 포착할 수 없습니다14. 또한, 종양 이종이식 모델은 인간 종양 세포를 인위적으로 이식하는 과정을 포함하므로 자연적인 종양 발생 과정을 완전히 재현하지 못할 수 있습니다18. 이러한 모델들은 대개 단기적이며, 종양의 진행이나 발달 과정 중 종양과 면역 세포 사이의 공간적 관계 변화를 완전히 포착할 수 없습니다14,19. 더욱이, 이 접근 방식은 TME 내 면역 세포 행동의 공간적 조직화, 발달 맥락 및 생리학적 관련성에 대한 제한적인 표현만을 제공합니다. 최근 본 연구진과 다른 연구자들은 종양 세포와 면역 세포를 서로 다른 형광 마커로 표지한 복합 형질전환 제브라피시를 적용하여 종양 관련 면역 세포를 시각화했습니다20,21. 이러한 복합 형질전환 어류는 동물 및 종양의 발달 전 과정에 걸쳐 TME를 연구할 수 있게 하여, in vivo 상에서의 면역-종양 상호작용 조사를 용이하게 합니다.
본 연구에서는 제브라피쉬 신경모세포종 모델의 종양미세환경(TME) 내 면역 세포를 연구하기 위해 공초점 현미경을 활용하는 방법을 제시합니다. 이 방법에서는 면역 세포를 표지하는 제브라피쉬 리포터 라인과, 도파민-β-하이드록실라제 프로모터(dβh) 하에서 인간 MYCN 온코진을 과발현시켜 인간 질환과 유사한 신경모세포종을 유발하도록 유전적으로 조작된 제브라피쉬 라인을 사용하였습니다20. 이 복합 형질전환 제브라피쉬 모델에서 종양 세포와 면역 세포는 각각 EGFP와 mCherry로 다르게 표지됩니다. dβh 프로모터는 교감신경부신 lineage 세포에서 활성화되며, 여러 제브라피쉬 신경모세포종 모델에서 사용되어 왔습니다22,23,24,25. 또한, CD4+ 세포를 시각화하기 위해 mCherry 형광을 발현시키는 Cd4 프로모터를 활용하였습니다15. Z-스택 획득을 통한 공초점 이미징을 적용하여 종양 발달의 서로 다른 단계에서 TME를 3차원으로 시각화함으로써, 온전한 조직 내에서 종양 세포와 면역 세포 간의 공간적 관계를 평가할 수 있었습니다. 이 방법은 종양 발달의 다양한 단계 동안 종양 세포에 대한 면역 세포의 조직 구성을 분석할 수 있게 합니다.
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All animal procedures were approved by the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) at Boston University Chobanian & Avedisian School of Medicine under protocol PROTO202100001. The overall workflow for generation of compound transgenic zebrafish, larval imaging, adult tissue preparation, and image analysis is summarized in Figure 1.

Figure 1. Workflow for visualization and quantification of immune cells within the zebrafish tumor microenvironment (TME). Schematic overview of the experimental workflow. Immune-reporter zebrafish were crossed with tumor-prone zebrafish to generate compound transgenic offspring expressing fluorescent markers in both immune cells (red) and tumor cells (green). Embryos were screened by fluorescence microscopy to identify compound transgenic fish. Selected fish were either subjected to live confocal imaging during larval development (<21 days post-fertilization [dpf]) or processed by fixation, cryosectioning, and confocal imaging for fish older than 21 dpf. This workflow enables visualization and quantification of immune cells associated with the TME across multiple developmental stages. Part of the illustration was created using BioRender. Please click here to view a larger version of this figure.
1. Generation of Compound Transgenic Zebrafish Lines Through Breeding
2. Screening Zebrafish for Fluorescent Markers
3. Larval Live-Mounting and Imaging
4. Fish Fixation and Cryosectioning
5. Mounting and Imaging of Fish with Skin Removed
6. Image Analysis and Quantification
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전체적인 실험 워크플로우는 그림 1에 나타나 있습니다. 성체 Tg(cd4-1:mCherry) 제브라피시를 Tg(dβh:MYCN;dβh:EGFP) 제브라피시와 교배하여, CD4+ 세포와 dβh 발현 세포가 각각 mCherry와 EGFP 형광으로 다르게 표지된 복합 형질전환 자손을 생성하였습니다. 배아에서 적절한 형광 마커가 나타나는지 스크리닝한 후, 치어 발달 단계 동안의 살아있는 상태의 공초점 이미징 또는 성체 물고기의 고정 및 동결 절편 후 공초점 이미징을 통해 분석하였습니다(그림 1).
유충 발달 과정 중 전암 단계의 신경모세포종 병변과 CD4+ 세포의 연관성을 평가하기 위해, 수정 후 7일 및 14일(dpf)에 복합 형질전환 어류를 이미징하였습니다. 이 시점들은 제브라피시 림프구 발...
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여기에 설명된 프로토콜은 TME 내의 면역 세포를 시각화하고 정량화하기 위해 제브라피시를 in vivo 모델로 활용합니다. 이 접근법을 성공적으로 구현하기 위해서는 몇 가지 요인이 매우 중요합니다. 첫째, 적절한 복합 형질전환 제브라피시 라인의 선택과 검증이 필수적입니다. 치어에서 예상되는 형광 발현 패턴을 스크리닝해야 하며, 필요한 경우 유전형 분석을 통해 확인해야 합니다. 실험군과 대조군을 정확하게 지정하기 위해 실험 전에 면역 리포터 및 온코진(oncogene) 발현을 검증해야 합니다. 둘째, 공초점 이미징 중에 관심 영역을 정확하게 식별하는 것이 중요합니다. 명시야 이미징을 사용하여 해부학적 지표를 식별하고 표적 조직의 위치 파악을 용이하게 할 수 있습니다. 예를 들어, 전신 부위의 종양을 이미징할 때 눈을 지표로 사용하여 위치를 잡을 수 있습니다. 셋째, 이미징 영역이 충분히 노출되도록 물고기를 적절하게 배치하는 것이 필수적입니다. 정렬이 제대로 되지 않으면 이미지 품질이 저하되거나 관심 조직이 가려질 ...
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저자들은 이해상충이 없음을 밝힙니다.
본 연구는 National Institutes of Health (NIH; 1UL1TR001430, CA215059, NS140967), American Cancer Society (RSG-17-204-01-TBG), National Science Foundation (1911253) 및 Alex’s Lemonade Stand Foundation의 H.F.에 대한 지원과 Warren Alpert Distinguished Scholars Fellowship의 X.Q.에 대한 지원을 통해 수행되었습니다. Y.W.는 Boston University Undergraduate Research Opportunities Program (UROP) 및 St. Baldrick’s Summer Fellowship Program의 지원을 받았으며, M.V.는 St. Baldrick’s Summer Fellowship Program의 지원을 받았습니다. 본 논문의 내용은 전적으로 저자들의 책임이며, 반드시 NIH의 공식 견해를 대표하는 것은 아닙니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 200 µL Gel Loading Tip | MilliporeSigma | 1022-0600 | 치어 조작용 |
| 인조 식물 | The Hidden Reef | 62874200000000000 | 선택적 번식 환경 풍부화용 |
| 표백제 | Fisher Scientific | 50371500 | 배아 오염 제거용 |
| Cell Counter 플러그인 | National Institutes of Health (NIH) | N/A | 세포 정량화를 위한 Fiji 플러그인 |
| 컴퓨터 및 모니터 | HP | 2TB68A8#ABA | 이미지 획득 및 분석용 |
| 공초점 현미경 | Zeiss | LSM 710 | 치어 및 성어 이미징용 |
| 플라스틱 Cryomold | Epredia | 22-050-160 | OCT 매립용 |
| 크라이오스탯(Cryostat) | Thermo Fisher Scientific | 95-664-0EC70 | 동결 절편 제작용 |
| 드라이아이스 | Fisher Scientific | N/A | 시료 운반용 |
| Fiji 소프트웨어 | National Institutes of Health (NIH) | Version 1.54p | 이미지 분석 소프트웨어 |
| 미세 망 뜰채 | Carolina Biological | 651345 | 배아 수집용 |
| 어류 인큐베이터 | VWR | 35960-056 | 28.5°C로 유지 |
| 포셉(Forceps) | Fisher Scientific | 10-316B | 시료 취급용 |
| 유리 바닥 접시 | IBIDI | 81218-200 | 이미징용 |
| 저융점 아가로스 | Prolab Supply | 9012-36-6 | 치어 및 성어 고정용 |
| 교배 수조 (메인 탱크, 구분막, 격자 섹션) | Carolina Biological | 161937 | 제브라피시 번식용 |
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