Opisujemy metodę obrazowania odpowiedzi na leczenie przeciwnowotworowe in vivo i w rozdzielczości pojedynczej komórki.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy metodę obrazowania odpowiedzi na leczenie przeciwnowotworowe in vivo i w rozdzielczości pojedynczej komórki.
Mikrośrodowisko guza odgrywa kluczową rolę w inicjacji guza, progresji, przerzutach i odpowiedzi na terapie przeciwnowotworowe. Trójwymiarowe systemy kohodowli są często wykorzystywane do wyjaśniania interakcji między guzem a zrębem, w tym ich roli w reakcjach na leki. Jednak wiele interakcji zachodzących in vivo w nienaruszonym mikrośrodowisku nie może być w pełni odtworzonych w tych warunkach in vitro. W związku z tym bezpośrednia wizualizacja tych procesów w czasie rzeczywistym stała się ważnym narzędziem w zrozumieniu reakcji guza na terapie i identyfikacji interakcji między komórkami rakowymi a zrębem, które mogą wpływać na te reakcje. W tym miejscu przedstawiamy metodę wykorzystania mikroskopii konfokalnej z wirującym dyskiem żywych, znieczulonych myszy do bezpośredniej obserwacji dystrybucji leków, odpowiedzi komórek rakowych i zmian w interakcjach guz-zrąb po podaniu terapii systemowej w modelach raka piersi. Opisujemy procedury znakowania różnych składników guza, leczenie zwierząt w celu obserwacji odpowiedzi terapeutycznych oraz procedurę chirurgiczną polegającą na naświetlaniu tkanek nowotworowych do obrazowania do 40 godzin. Wyniki uzyskane za pomocą tego protokołu to filmy poklatkowe, w których takie procesy jak infiltracja leków, śmierć komórek rakowych i migracja komórek zrębu mogą być oceniane za pomocą oprogramowania do analizy obrazu.
Guzy lite składają się z dwóch głównych przedziałów: komórek rakowych i składników zrębu (zarówno komórkowych, jak i niekomórkowych), które pomagają w utrzymaniu odpowiedniego środowiska do wzrostu guza1. Te składniki zrębu odgrywają kluczową rolę w rozwoju, progresji i przerzutach wielu rodzajów nowotworów, w tym raka piersi2-5. Środowisko zrębu wpływa również na odpowiedzi terapeutyczne2,4,5. W związku z tym określenie, w jaki sposób komórki nowotworowe reagują na konwencjonalne i nowatorskie terapie w kontekście nienaruszonego mikrośrodowiska, jest ważne dla pogłębienia naszego zrozumienia biologii nowotworów i ulepszenia obecnych strategii terapeutycznych. Co więcej, określenie, w jaki sposób interakcje komórka rakowa - zrąb zmienia się po zastosowaniu terapii, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia biologii nawrotu nowotworu.
Organotypowe systemy kohodowli były przydatne do badania interakcji guz-zrąb6, ale oczywiste jest, że obecnie dostępne metody nie są w stanie skutecznie odtworzyć nienaruszonego mikrośrodowiska guza in vitro, w szczególności w odniesieniu do funkcji naczyń krwionośnych i rekrutacji komórek odpornościowych. Rzeczywiście, odpowiedzi komórek nowotworowych na terapie obserwowane in vitro często znacznie różnią się od tych obserwowanych in vivo, gdzie mikrośrodowisko jest nienaruszone5. W związku z tym modele in vivo do badania interakcji między guzem a zrębem i ich wpływu na odpowiedź terapeutyczną mogą lepiej odzwierciedlać klinicznie istotne mechanizmy7.
Podstawowym sposobem badania reakcji na terapię przeciwnowotworową in vivo były pomiary wielkości guza i ocena histologiczna tkanek pochodzących od leczonych zwierząt lub pacjentów. Jednak postępy w mikroskopii i reporterach fluorescencyjnych w ciągu ostatnich dwóch dekad umożliwiły wizualizację procesów między- i wewnątrzkomórkowych w wysokiej rozdzielczości u żywych, znieczulonych zwierząt (obrazowanie przyżyciowe)8. Te technologie mikroskopii przyżyciowej okazały się szczególnie cenne dla przestrzennego i czasowego analizowania dynamiki in vivo interakcji guz-zrąb w rozdzielczości komórkowej i subkomórkowej8,9.
Procesy, które zostały rozwikłane przez obrazowanie przyżyciowe, obejmują cytotoksyczność przeciwnowotworowych limfocytów T10,11, interakcje między limfocytami T a komórkami szpikowymi12, dynamikę zmian w składzie i organizacji kolagenu po leczeniu terapeutycznym13, wewnątrznaczynienie i przerzuty komórek rakowych zależnych od makrofagów14 oraz przepuszczalność naczyń15.
Istnieją trzy główne wymagania dotyczące obrazowania przyżyciowego. Obejmują one odpowiednie przygotowanie i naświetlanie tkanek do obrazowania, znakowanie fluorescencyjne składników tkanek będących przedmiotem zainteresowania oraz sparowany system mikroskopowo-kamerowy zdolny do pozyskiwania obrazów16. Najczęstsze strategie stosowane w celu spełnienia tych wymagań obejmują: 1) preparaty heterotopowe (np. inokulacja ucha lub oczodołu), stałe okna obrazowania lub preparaty zewnętrzne (np. grzbietowy płat skóry); 2) transgeniczne reportery fluorescencyjne i fluorescencyjne środki do wstrzykiwań do znakowania składników tkankowych; oraz 3) systemy mikroskopii wielofotonowej lub konfokalnej w połączeniu z lampami fotopowielającymi lub kamerami CCD (Charge-coupled Device), odpowiednio:9. Używamy chirurgicznie przygotowanego modelu płata skóry do odsłonięcia pachwinowego gruczołu sutkowego do obrazowania u znieczulonych zwierząt, które wykazują ekspresję transgenów kodujących reportery fluorescencyjne. Obrazy są uzyskiwane w okresie od 12 do 40 godzin za pomocą kamery ze wzmocnionym przetwornikiem CCD (ICCD) w połączeniu z systemem czterolaserowego mikroskopu konfokalnego z wirującym dyskiem17. Obrazowanie w ten sposób pozwoliło nam zbadać takie procesy, jak dystrybucja leków in vivo, zależne od etapu odpowiedzi na chemioterapię, rodzaj śmierci komórek wywołanej chemioterapią i zachowanie komórek szpikowych5.
Udostępniamy protokół do przyżyciowego obrazowania odpowiedzi komórek nowotworowych na terapię przeciwnowotworową i interakcje guz-zrąb w mysich modelach raka piersi. Protokół ten może być używany do śledzenia zachowań i śmierci zarówno komórek rakowych, jak i składników zrębu za pomocą szerokiej gamy transgenicznych i wstrzykiwanych znaczników fluorescencyjnych zarówno w modelach transgenicznych, jak i transplantacyjnych przez okres do 40 godzin podczas jednej sesji obrazowania.
Wszystkie opisane procedury muszą być przeprowadzone zgodnie z wytycznymi i przepisami dotyczącymi wykorzystania kręgowców, w tym po uzyskaniu uprzedniej zgody lokalnej Instytucjonalnej Komisji ds. Opieki i Korzystania ze Zwierząt (Institutional Animal Care and Use Committee).
1. Generowanie guzów piersiowych u myszy do obrazowania (transgenicznych lub ortotopowych)
2. Wizualizacja elementów mikrośrodowiska guza lub komponentów wewnątrzkomórkowych
3. Mikroskopy i oprogramowanie do obrazowania
4. (Przed-)Przygotowanie zwierząt do obrazowania
5. Przygotowanie soli fizjologicznej do utrzymania nawodnienia i osmolalności krwi zwierzęcia podczas obrazowania
6. Przygotowanie systemu znieczulenia izofluranem
7. Przygotowanie narzędzi chirurgicznych i platformy chirurgicznej
8. Przygotowanie mikroskopu
9. Odsłanianie gruczołu mlekowego pachwinowego do obrazowania
10. Pozycjonowanie myszy na stole przedmiotowym
11. Pozyskiwanie obrazów
Do akwizycji obrazów time-lapse wykorzystuje się oprogramowanie open source μManager (Vale Lab, UCSF). Surowe dane są kompilowane w oprogramowaniu Imaris (Bitplane) i mogą być oceniane ręcznie przez niezależnych obserwatorów lub analizowane w programie Imaris bądź innym oprogramowaniu do analizy obrazu (np. Volocity [PerkinElmer] lub ImageJ [NIH]).
12. Eutanazja
Po zakończeniu sesji obrazowania (1-40 h, w zależności od analizowanego rodzaju procesu), zwierzę zostaje uśmiercone.
13. Reprezentatywne wyniki
Obrazowanie przyżyciowe z zastosowaniem tej metody umożliwia bezpośrednią wizualizację różnych procesów, w tym dostarczania leków do guzów, ekstrawazacji i dystrybucji leku po dotarciu do guza, śmierci komórek po leczeniu terapeutycznym oraz interakcji między guzami a zrąbkiem w odpowiedzi na śmierć komórek5. Aby zaobserwować dotarcie leku do guza oraz jego dystrybucję po ekstrawazacji do tkanek nowotworowych, iniekcję u zwierzęcia wykonuje się podczas akwizycji obrazów. Chociaż niektóre klasy chemioterapeutyków wykazują słabą fluorescencję (np. doksorubicyna), wiele z nich jej nie posiada. Dextrany sprzężone z fluoroforami mogą być wykorzystywane jako markery zastępcze dla dostarczania leków i ich dyfuzji do tkanek. Rycina 2 oraz Film 1 przedstawiają dotarcie do guza myszy MMTV-PyMT;ACTB-ECFP dextranu 2 MD sprzężonego z izotiocyjanianem fluoresceiny (FITC) (Invitrogen, 1 mg/ml 1xPBS), podanego i.v.
Po dotarciu leku do guza można obrazować ekstrawasację i dyfuzję przez tkanki, aby określić zarówno okres półtrwania leku w naczyniach krwionośnych, jak i rozkład leku5. Film 2 przedstawia ekstrawasację i rozkład dekstranu 10 kD sprzężonego z Alexa Fluor-647 (Invitrogen, 1 mg/ml w 1 x PBS), wstrzykniętego i.v. myszy C3(1)-Tag;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP podczas obrazowania. Po zestawieniu filmów time-lapse w programie Imaris (Bitplane) dokonuje się ilościowego oznaczenia okresu półtrwania w naczyniach krwionośnych oraz rozkładu leku. Aby zmierzyć okres półtrwania w naczyniach krwionośnych, oblicza się średnią intensywność fluorescencji w naczyniach krwionośnych guza dla każdego punktu czasowego i nanosi ją na wykres w funkcji czasu. Rozkład leku określa się jako procent powierzchni w stosunku do całkowitej powierzchni guza, która jest pozytywna pod kątem obecności leku.
Oprócz śledzenia kinetyki dostarczania leku do guzów, często istotne jest określenie, w jaki sposób guzy reagują na terapię. Ponieważ terapie przeciwnowotworowe mają wywoływać śmierć komórek, barwienie jodkiem propidym (PI) lub strukturalne zmiany jądrowe mogą być stosowane jako marker indukowanej lekiem śmierci komórkowej5. Rysunek 3 przedstawia odpowiedź guza na cytotoksyczny lek chemioterapeutyczny doksorubicynę u myszy MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP. U tego potrójnego zwierzęcia transgenicznego MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP ECFP znakuje komórki raka piersi (kolor niebieski), a EGFP znakuje komórki mieloidalne (kolor zielony). Zwierzę obrazowane podczas tej sesji otrzymało doksorubicynę 18 hr przed rozpoczęciem obrazowania, a PI było podawane i.p. przez cały czas trwania sesji obrazowania, zgodnie z powyższym opisem. Komórki nowotworowe (znakowanie ACTB-ECFP) widoczne są na niebiesko, a komórki martwe lub obumierające na czerwono (barwienie PI). Przedstawiona tutaj seria czasowa pokazuje indukcję zależnej od doksorubicyny śmierci komórek w czasie. Aby ilościowo określić indukcję śmierci komórek w guzach, stosuje się ten sam typ analizy, który wykorzystano do wyznaczenia rozkładu leku, gdzie wynikiem ilościowym jest procent powierzchni dodatniej dla PI w stosunku do całkowitej powierzchni guza.
Obrazowanie przy dużym powiększeniu może dostarczyć informacji na temat rodzaju śmierci komórkowej, której ulegają komórki nowotworowe5. Film 3 przedstawia wyniki eksperymentu obrazowania mającego na celu śledzenie zmian w jądrach komórkowych typowych dla apoptycznej śmierci komórki w odpowiedzi na terapię systemową doksorubicyną. Aby zwizualizować jądra, zwierzę obrazowane podczas tej sesji posiada reporter ACTB-H2B-EGFP zamiast reportera c-fms-EGFP, dzięki czemu jądra komórek nowotworowych są znakowane na zielono. Zwierzęciu MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;ACTB-H2B-EGFP podano doksorubicynę (8 mg/kg w 1 x PBS) i.p. 24 h przed rozpoczęciem filmu, a następnie wykonywano godzinowe iniekcje 1 x PBS zawierającego PI (Invitrogen, roztwór 1 mg/ml rozcieńczony 1:15). Zmiany strukturalne w jądrach komórek nowotworowych można zaobserwować w komórce apoptycznej obok komórek, które uległy nekrozie (komórki PI-dodatnie wykazujące minimalne zmiany w morfologii jądra). Jądra komórek apoptycznych ostatecznie stają się czerwone z powodu pobrania barwnika PI (nie pokazano). Liczbę zdarzeń nekrotycznych i apoptycznych określa się ręcznie dla każdego punktu czasowego na podstawie dodatniości PI oraz morfologii jądra.
Śmierć komórek nowotworowych indukowana chemioterapią często prowadzi do reaktywnej rekrutacji komórek odpornościowych do guzów2,4,5. Rycina 4 przedstawia przykład takiej odpowiedzi zrębowej na ostre leczenie doksorubicyną. Zwierzę MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP obrazowane tutaj otrzymało doksorubicynę (8 mg/kg w 1 x PBS) i.p. około 20 godzin przed rozpoczęciem obrazowania oraz otrzymywało godzinowe iniekcje PI i.p. przez cały czas trwania eksperymentu w celu wizualizacji śmierci komórek. Wskazane czasy reprezentują liczbę godzin po leczeniu doksorubicyną, a pasek skali reprezentuje 100 μm. W tym eksperymencie komórki mieloidalne infiltrują obszary śmierci komórek, co wskazują białe strzałki. Aby ilościowo określić infiltrację komórek mieloidalnych do guzów po podaniu doksorubicyny, stosuje się ten sam typ analizy, który służy do wyznaczania dystrybucji leku i odpowiedzi guza na chemioterapię, gdzie wynikiem ilościowym jest procent powierzchni w stosunku do całkowitej powierzchni guza wykazujący pozytywny sygnał dla EGFP.
Oprócz wizualizacji ogólnej odpowiedziy zrębu na chemioterapię, można również wizualizować wyspecjalizowane odpowiedziy zrębu5. Film 4 przedstawia fagocytozę materiału z martwiczych komórek przez komórkę sąsiednią. Widać, jak czerwony materiał jądrowy jest pochłaniany przez komórkę z dużym, nienaruszonym zielonym jądrem, co jest typowe dla makrofagów. Zwierzę MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;ACTB-H2B-EGFP obrazowane podczas tej sesji otrzymało doxorubicinę (8 mg/kg w 1 x PBS) i.p. 24 h przed rozpoczęciem filmu. Zwierzę otrzymywało godzinowe iniekcje 1 x PBS zawierającego PI (Invitrogen, roztwór 1 mg/ml rozcieńczony 1:15). Jądra komórkowe (znakowanie ACTB-EGFP) są zielone, ale zmieniają kolor na czerwony w miarę jak komórki ulegają martwicy.

Rycina 1. Przykładowe znakowanie różnych komponentów guza przy użyciu znaczników transgenicznych i wstrzykiwalnych. Jest to zwierzę potrójnie transgeniczne MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP, w którym komórki nowotworowe są znakowane na niebiesko poprzez ekspresję ECFP, a komórki mieloidalne na zielono poprzez ekspresję EGFP pod kontrolą promotora specyficznego dla linii mieloidalnej. Podczas sesji obrazowania zwierzęciu wstrzyknięto jodek propidyny (PI, czerwony, ~0.07 mg/ml w 1x PBS) w celu wizualizacji śmierci komórek. PI znakuje DNA, lecz przenika przez błony komórkowe tylko martwych lub obumierających komórek. Pasek skali = 100 μm.

Rycina 2. Przeciekanie i dystrybucja leku w guzach. W tym podwójnie transgenicznym zwierzęciu MMTV-PyMT;ACTB-ECFP, w którym komórki nowotworowe są znakowane na niebiesko poprzez ekspresję ECFP, podczas sesji obrazowania wstrzyknięto 2 MD dekstran sprzężony z FITC (zielony), aby zwizualizować, w jaki sposób leki docierają do guzów po wstrzyknięciu i.v. (niebieski). Wskazano czas od rozpoczęcia obrazowania. Pasek skali = 100 μm.

Rysunek 3. Odpowiedź komórek nowotworowych na terapię systemową. Zwierzę MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP poddane leczeniu chemioterapeutykiem doksorubicyną przed obrazowaniem, z wstrzykniętym PI (czerwony, ~0,07 mg/ml w 1x PBS) w celu znakowania śmierci komórek. Ta seria obrazów pokazuje akumulację barwienia PI w czasie (wskazaną białymi strzałkami), co reprezentuje indukcję śmierci komórek po leczeniu doksorubicyną. Podany czas to czas po leczeniu doksorubicyną. Obrazy stanowią maksymalne projekcje intensywności stosu z trzech obrazów w osi z. Pasek skali = 100 μm.

Rysunek 4. Odpowiedź komórek mieloidalnych na chemioterapię u potrójnie transgenicznej myszy MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP, której 20 h przed obrazowaniem podano doksorubicynę. Zwierzę otrzymywało godzinne wstrzyknięcia i.p. PI (czerwony, ~0,07 mg/ml w 1x PBS) w celu znakowania martwych komórek. Ta seria obrazów pokazuje akumulację komórek mieloidalnych wykazujących ekspresję EGFP (wskazanych białymi strzałkami) w czasie po leczeniu doksorubicyną. Wykazano, że ta reaktywna odpowiedź immunologiczna utrudnia odpowiedź terapeutyczną na kilka klas chemioterapii4,5. Wskazany czas to czas po leczeniu doksorubicyną. Obrazy stanowią projekcje maksymalnej intensywności ze stosu z-stack zawierającego trzy obrazy w osi z. Pasek skali = 100 μm.
Film 1. Dostarczanie leku do guza. Jest to zwierzę podwójnie transgeniczne MMTV-PyMT;ACTB-ECFP, w którym komórki nowotworowe są znakowane na niebiesko poprzez ekspresję ECFP. Podczas sesji obrazowania zwierzęciu wstrzyknięto dekstran sprzężony z FITC o masie 2 MD (zielony), aby zwizualizować, w jaki sposób leki docierają do guzów po wstrzyknięciu i.v.. Pasek skali = 100 μm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić film.
Film 2. Infiltracja leku do tkanki guza. Potrójnie transgeniczne zwierzę C3(1)-Tag;ACTB-ECFP;c-fms-EGFP, w którym komórki nowotworowe są znakowane na niebiesko poprzez ekspresję ECFP, a komórki mieloidalne na zielono poprzez ekspresję EGFP, otrzymało wstrzyknięcie i.v. dekstranu 10 kD sprzężonego z Alexa Fluor 647 (czerwony). Pole widzenia pokazano bezpośrednio po wstrzyknięciu dekstranu. Dekstran początkowo znakuje naczynia krwionośne, następnie szybko przenika do tkanki guza, a na koniec jest pobierany przez makrofagi. Pasek skali = 100 μm. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.
Film 3. Obrazowanie zmian jądrowych po śmierci komórkowej wywołanej chemioterapią. To zwierzę potrójnie transgeniczne MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;H2B-EGFP otrzymało wtrysk doksorubicyny przed obrazowaniem. Morfologia jądra (zielona), śledzona dzięki ekspresji białka fuzyjnego H2B-EGFP, umożliwia bezpośrednią wizualizację wywołanych chemioterapią zmian strukturalnych jądra typowych dla apoptozy, co widać w przypadku komórki w prawym górnym rogu. Zwierzę otrzymywało wstrzyknięcia PI (czerwony) drogą i.p. co pół godziny przez cały czas trwania sesji obrazowania w celu znakowania komórek martwych i obumierających. Wskazany czas to czas po leczeniu doksorubicyną +24 hr. Obrazy pozyskano przy użyciu obiektywu o dużym powiększeniu (40x, NA 1.1, soczewka wodna). Pasek skali = 15 μm. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.
Film 4. Obrazowanie zmian jądrowych i wychwytu materiału z martwych komórek po śmierci komórkowej wywołanej chemioterapią. To potrójne zwierzę transgeniczne MMTV-PyMT;ACTB-ECFP;H2B-EGFP zostało wstrzyknięte doksorubicyną przed obrazowaniem. Morfologia jądra (zielony), śledzona dzięki ekspresji białka fuzyjnego H2B-EGFP, umożliwia bezpośrednią wizualizację strukturalnych zmian jądra wywołanych chemioterapią. Zwierzę otrzymywało wstrzyknięcia i.p. PI (czerwony) co pół godziny przez cały czas trwania sesji obrazowania w celu znakowania komórek martwych i obumierających. Obrazy pozyskano przy użyciu obiektywu o dużym powiększeniu (40 x, NA 1.1, soczewka wodna). Brak istotnych zmian strukturalnych przed znakowaniem PI oraz zmiana morfologii jądra i utrata sygnału GFP wskazują na śmierć komórkową o charakterze nekrozy. Widoczny jest wychwyt martwego materiału przez komórkę z dużym jądrem, co jest typowe dla makrofagów. Wskazany czas to czas po leczeniu doksorubicyną +24 hr. Pasek skali = 10 μm. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.
Reakcje nowotworów na terapie ogólnoustrojowe in vivo mogą być dramatycznie różne od reakcji komórek nowotworowych in vitro, ponieważ mikrośrodowisko wpływa zarówno na ostrą odpowiedź, jak i nawrót5. Jedną z największych przeszkód w wyjaśnieniu szlaków chemooporności in vivo jest złożoność interakcji między komórkami nowotworowymi a ich mikrośrodowiskiem. W szczególności, ponieważ guzy lite rozwinęły równowagę między rakiem a komórkami zrębu, zaburzenia jednego składnika, takie jak śmierć komórki, która występuje podczas leczenia przeciwnowotworowego, mogą mieć dramatyczny wpływ na organizację tkanek.
Przedstawiona tutaj technika obrazowania przyżyciowego pozwala na bezpośrednią wizualizację interakcji komórka rakowa-zrąb w guzach żywych, znieczulonych myszy podczas leczenia lekami przeciwnowotworowymi. Używamy mikroskopii konfokalnej z wirującym dyskiem, która ma stosunkowo ograniczoną głębokość penetracji (patrz 17), ale nasze techniki chirurgiczne i znakowania mogą być stosowane z innymi rodzajami mikroskopii. Filmy uzyskane z tych eksperymentów mogą być wykorzystane do śledzenia procesów, które obejmują zmiany intensywności fluorescencji (np. z powodu infiltracji znakowanej populacji lub indukcji śmierci komórki), ruchliwości komórek, dystrybucji zastrzyków (np. w celu śledzenia przecieku naczyniowego) i kolokalizacji sygnałów fluorescencyjnych5,12,17,20.
Rutynowo obrazujemy myszy przez ponad 6 godzin, a także wykonujemy obrazowanie przez ponad 18 godzin. Wymaga to ciągłego utrzymywania myszy w znieczuleniu przez tak długi czas. Przy odpowiednim znieczuleniu ponad 90% naszych zwierząt przeżywa 6 godzin, a około 80% przeżywa ponad 18 godzin. Szczegóły dotyczące sposobu wykonywania długotrwałego znieczulenia zostały opublikowane wcześniej19. Z naszego doświadczenia wynika, że pięć czynników ma kluczowe znaczenie: unikanie hipotermii, unikanie odwodnienia, utrzymywanie fizjologicznego poziomu nasycenia krwi tlenem, stosowanie wilgotnego gazu nośnego dla izofluranu oraz utrzymywanie zwierząt na najniższym poziomie znieczulenia, przy którym nie wykazują oznak bólu. Aby utrzymać temperaturę ciała, trzymamy myszy pod podgrzewanym kocem (w temperaturze 38 °C). Aby uniknąć odwodnienia, wstrzykujemy małe objętości soli fizjologicznej przez cały czas trwania procedury obrazowania. Aby utrzymać fizjologiczny poziom nasycenia krwi tlenem, zaczynamy od 21% tlenu w gazie nośnym (zamiast powszechnie stosowanych 100%). Pozwala nam to zwiększyć poziom wdychanego tlenu, jeśli mysz - po kilku godzinach eksperymentu - wykaże spadek nasycenia krwi tlenem. Z naszego doświadczenia wynika, że zwiększenie poziomu wdychanego tlenu w tym czasie (np. do 30-40%) prawie zawsze ustabilizuje zwierzę, pozwalając na wielogodzinne dodatkowe obrazowanie. Optymalny poziom znieczulenia dla większości myszy osiąga się przy użyciu 1-1,5% izofluranu i skutkuje częstością oddechów 60-65/min i częstością tętna 400-450/min. W naszych eksperymentach obrazowych wykorzystujemy przede wszystkim transgeniczne modele myszy (MMTV-PyMT i C3[1]-Tag), w których guzy są wieloogniskowe, co pozwala na obrazowanie wielu zmian na różnych etapach progresji guza równolegle w wielu pozycjach x,y podczas jednej sesji obrazowania. Zmniejsza to obawy dotyczące zmienności między myszą a myszą w odniesieniu do eksperymentów mających na celu identyfikację odpowiedzi terapeutycznych zależnych od etapu i zmniejsza liczbę zwierząt potrzebnych do obrazowania.
Model MMTV-PyMT (i inne spontaniczne modele raka) przechodzą przez postępujące stadia histopatologiczne, które można rozpoznać podczas obrazowania przyżyciowego, chociaż patologiczne stadium zmian nowotworowych, które można wykonać podczas obrazowania przyżyciowego, jest inne i mniej szczegółowe niż w przypadku odcinków histologicznych5,17. W przeciwieństwie do tego, modele transplantacyjne mają tendencję do najlepszego odzwierciedlania guzów w późnym stadium, ponieważ komórki rakowe są zwykle izolowane z zaawansowanych guzów. Takie modele są zatem bardziej podatne na badanie interakcji guz-zrąb w późnych stadiach nowotworów niż różnic w tych interakcjach między różnymi stadiami.
Pokazujemy przykłady, jak obrazować zmiany strukturalne jądra, które zachodzą po śmierci komórki wywołanej terapią. W przypadku braku leczenia przeciwnowotworowego, ta strategia znakowania może być zamiast tego wykorzystana do obrazowania podziału komórek in situ, wyjaśniając na przykład, w jaki sposób mikrośrodowisko wpływa na proliferację i spoczynek komórek. W przyszłości znakowanie fluorescencyjne składników mitochondrialnych może umożliwić obrazowanie zmian mitochondrialnych, które zachodzą podczas apoptotycznej śmierci komórki.
W tym protokole pokazaliśmy również przykłady, jak obrazować interakcje komórka rakowa - komórka odpornościowa po terapii, ale inne elementy mikrośrodowiskowe mogą być również wizualizowane i obrazowane. Istniejące transgeniczne linie reporterowe dla składników zrębu obejmują te dla fibroblastów (np. FSP1-EGFP17, αSMA-RFP21, COL1A1-EGFP21) lub komórek układu krwionośnego (np. Tie2-GFP22; VEGF-GFP23).
Obrazowanie przyżyciowe pozwala na wizualizację w czasie rzeczywistym interakcji i procesów zachodzących in vivo po podaniu chemioterapii. Dzięki obecnie dostępnej technologii poczyniliśmy znaczne postępy w zrozumieniu, w jaki sposób komórki szpikowe wpływają na odpowiedź terapeutyczną; Jednak ze względu na to, że mikrośrodowisko guza jest tak złożone, nadal potrzebne są znaczne postępy, aby zacząć mechanicznie zagłębiać się w procesy leżące u podstaw oporności na leki za pośrednictwem środowiska. Jednym z najważniejszych postępów, które są nadal wymagane, jest identyfikacja lepszych markerów dla określonych populacji komórek. Znaczenie lepszych markerów jest dobrze zilustrowane przez dwa z najważniejszych składników komórek zrębu mikrośrodowiska guza piersi, fibroblasty i komórki odpornościowe. α-Aktyna mięśni gładkich (αSMA) jest często używana do identyfikacji fibroblastów, ale białko to jest również wyrażane przez komórki mięśni gładkich naczyń krwionośnych i komórki mioepitelialne24. Tak więc, chociaż istnieją myszy reporterowe αSMA-GFP, określenie konkretnego typu komórki, która jest śledzona podczas eksperymentu obrazowania przyżyciowego, jest trudne. Podobnie, pojedynczy marker fluorescencyjny, taki jak EGFP, wyrażony pod wpływem promotora c-fms, często identyfikuje wiele subpopulacji komórek odpornościowych12,17. Tak więc, chociaż idealnie byłoby użyć pojedynczego markera do identyfikacji określonego typu komórki, złożoność podstawowej biologii stanowi poważne wyzwanie przy stosowaniu tego podejścia.
Jednym z częściowych rozwiązań tego problemu jest użycie etykiet do wstrzykiwań w celu dalszego różnicowania subpopulacji komórek wykazujących ekspresję tego samego reportera fluorescencyjnego. Na przykład fluorescencyjne dekstrans są wychwytywane przez makrofagi i mogą być używane do znakowania subpopulacji makrofagów, które są znakowane przez transgeniczne myszy reporterowe c-fms-EGFP i Fsp1-EGFP17. Przeciwciała sprzężone z sondami fluorescencyjnymi zostały również wykorzystane do identyfikacji określonych subpopulacji (np. populacji komórek szpikowych Gr1-dodatnich znakowanych przez reporter c-fms-EGFP17).
W przeciwieństwie do krzywych odpowiedzi guza generowanych przez pomiar suwmiarkowy, które dostarczają niewiele mechanistycznych informacji o tym, jak i dlaczego guzy reagują na podane serie terapeutyczne lub histologiczne pochodzące z tkanek pobranych w różnych punktach czasowych, które wymagają dużych kohort zwierząt, nasza technika dostarcza bezpośrednich, wymiernych informacji na temat dynamiki śmierci komórek i interakcji komórek zrębu z komórkami rakowymi w małych kohortach. W związku z tym zaletą stosowania opisanej tutaj procedury jest to, że dostarcza ona dynamicznych informacji na temat odpowiedzi leków w kontekście nienaruszonego mikrośrodowiska guza w czasie rzeczywistym. Takie informacje mogą prowadzić do ważnych spostrzeżeń na temat procesów leżących u podstaw reakcji terapeutycznych5.
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów. Wszystkie doświadczenia na zwierzętach przeprowadzono zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez IACUC.
Dziękujemy J. Cappellani i J. Qiu za wsparcie techniczne. Praca ta była wspierana przez fundusze z National Cancer Institute (U01 CA141451), Starr Cancer Consortium, Susan G. Komen for the Cure, Long Island 2 Day Walk to Fight Breast Cancer, Manhasset Women's Coalition Against Breast Cancer do M.E. oraz stypendium przeddoktoranckie z Congressionally Directed Breast Cancer Research Program, U.S. to E.S.N. E.S.N. jest również laureatem stypendium Fundacji Lesliego C. Quicka i Williama Randolpha Hearsta od Watson Szkoła Nauk Biologicznych. Projekt H.A.A. był wspierany przez fundusze Norweskiej Rady ds. Badań Naukowych (160698/V40 i 151882) oraz Południowo-Wschodnich Regionalnych Urzędów ds. Zdrowia (2007060).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Reagent | |||
| MMTV-PyMT myszy | Jackson Laboratory | 2374 | |
| C3(1)-Tag myszy | Jackson Laboratory | 13591 | |
| myszy ACTB-ECFP | Laboratory | 3773 | |
| myszy ACTB-H2B-EGFP | Jackson Laboratory | 5418 | |
| 1 x PBS | Made in-house | ||
| Invitrogen | D-7137 | sprzężony z fluoresceiną | Rozpuszcza się w dH2O (4 mg/ml, przechowywać w temperaturze -20 ° C); rozcieńczyć do 1 mg/ml w 1 x PBS |
| 10 kD Dextran, Alexa Fluor 647-sprzężony | Invitrogen | D-22914 | Rozpuścić w dH2O (4 mg/ml, przechowywać w temperaturze -20 ° C); rozcieńczyć do 1 mg/ml w 1 x PBS |
| Chlorowodorek doksorubicyny | Sigma-Aldrich | 44583 | Rozpuścić w dH2O i przechowywać w temperaturze 4 ° C; rozcieńczyć w 1 x PBS |
| Isothesia (Isoflurane) | Butler Animal Health Supply | 029450 | 250 ml |
| Jodek Propidium | Invitrogen | P3566 | 1 mg / ml; rozcieńczyć 1:15 w 1 x PBS |
| Tlen | |||
| azotowy | |||
| Sprzęt | |||
| 18G x 1½ " igła stożkowa regularna | BD | 305196 | |
| μ Kierownik | Vale Lab, UCSF | www.micro-manager.orgOprogramowanie | typu open source |
| Wacik nasączony alkoholem | BD | 326895 | Waciki z 70% alkoholu izopropylowego |
| System anestezjologiczny | Produkty do obrazowania molekularnego, Co. | ||
| Szkło nakrywkowe | Corning | 2940-245 | nr 1½, 24x50 mm; dezynfekować chusteczkami 70% izopropanolu |
| Ciekawostki gąbki z gazy (sterylne) | Kendall | 6939 | |
| Szkiełka mikroskopowe | Corning | 2948-75x25 | Wstępnie oczyszczone; jeśli nie zostały wstępnie oczyszczone, zdezynfekuj chusteczkami z 70% izopropanolu |
| Utwardzone drobne nożyczki | Narzędzia do nauki o jakości | 14090-11 | 2 pary; stal nierdzewna, ostre-ostre końcówki, końcówka prosta, krawędź tnąca 26 mm, długość 11 cm |
| Podgrzewany koc | Gaymar Industries | ||
| Sterylizator gorących koralików | Fine Science Tools | 18000-45 | Włącz około 30 minut przed użyciem; sterylizować narzędzia w > 200 stopni Celsjusza; C przez 30 sekund |
| Imaris | Bitplane | www.bitplane.com | |
| Krazy Glue | Elmer’ s Produkty | KG484 | |
| Taśma laboratoryjna ( ½ ") | |||
| Taśma laboratoryjna (1") | |||
| Pokrywka do styropianowej chłodnicy | Będzie to używane jako platforma chirurgiczna | ||
| kleszcze preparacyjne | Roboz | RS-5153 | 1x2 zęby, lekka krzywizna, 0,8 mm szerokość końcówki, długość 4" |
| Mikro kleszcze preparacyjne | Roboz | RS-5135 | Ząbkowane, lekka krzywa, końcówka 0,8 mm Szerokość; Mikroskop o długości |
| Konfokal z wirującym dyskiem, stolik piezoelektryczny XYZ, zdolność epifluourescencji17,25 | |||
| Wkładka stolika mikroskopu | Stosowane oprzyrządowanie | Wykonane na zamówienie, z dwoma okrągłymi portami obrazowania | |
| Pulsoksymetr MouseOx, oprogramowanie i czujniki | STARR Nauki przyrodnicze | www.starrlifesciences.com | |
| Nasączki laboratoryjne Nalgene Super Versi-Dry | Thermo Scientific | 74218-00 | Pocięte na ćwiartki do wyłożenia platformy chirurgicznej |
| Nebulizator | Salter Labs | 8901 | Służy do nawilżania gazów; zapobiega podrażnieniom tkanek płuc |
| Jednorazowa strzykawka tuberkulinowa z końcówką wsuwaną (1 ml) | BD | 309659 | |
| Zestaw do infuzji ze skrzydełkami Surflo | Terumo | SV-23BLK | 23G x ¾ " ultra cienka igła, rurka 12" |
| Betadine Spray | Purdue Pharma | BASP3H | |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie