Wprowadzamy protokół generowania dużych liczb (od tysięcy do setek tysięcy) sferoid guza o jednakowej wielkości i składzie, używając dostępnych na rynku płytek mikrodołkowych.
Artykuł metodologiczny
Wprowadzamy protokół generowania dużych liczb (od tysięcy do setek tysięcy) sferoid guza o jednakowej wielkości i składzie, używając dostępnych na rynku płytek mikrodołkowych.
Sferoidy nowotworowe są coraz częściej uznawane za ważny model in vitro dla zachowania komórek nowotworowych w trzech wymiarach. Bardziej fizjologicznie istotne niż konwencjonalne hodowle z przylegającymi arkuszami, dokładniej podsumowują złożoność i interakcje obecne w prawdziwych nowotworach. Aby wykorzystać ten model do lepszej oceny biologii nowotworów lub skuteczności nowych środków terapeutycznych, konieczne jest generowanie sferoidów w sposób powtarzalny, kontrolowany i w znacznej liczbie.
System AggreWell składa się z zestawu mikrostudzienek o dużej gęstości w kształcie piramidy, do których odwirowywana jest zawiesina pojedynczych komórek. Liczba komórek grupujących się na dnie każdej mikrostudzienki oraz liczba i stosunek różnych typów komórek zależą tylko od właściwości zawiesiny wprowadzonej przez eksperymentatora. W ten sposób jesteśmy w stanie generować sferoidy guza o dowolnej wielkości i składzie bez konieczności modyfikowania podstawowej technologii platformy. Setki mikrostudzienek na centymetr kwadratowy powierzchni hodowli zapewniają z kolei osiągnięcie niezwykle wysokich poziomów produkcji w prostym, niepracochłonnym procesie. Dlatego spodziewamy się, że protokół ten będzie szeroko przydatny dla badaczy zajmujących się sferoidalną dziedziną nowotworów.
Istnieje coraz więcej dowodów na to, że komórki nowotworowe zachowują się inaczej w kulturach trójwymiarowych niż podczas hodowli na plastiku, oraz że środki terapeutyczne zidentyfikowane na konwencjonalnych platformach hodowli tkankowej mogą stracić skuteczność po przejściu do bardziej fizjologicznie istotnego systemu1. Dlatego pożądane jest zbadanie zachowania komórek nowotworowych w tych warunkach, zarówno w celu uzyskania wglądu w ich biologię, jak i w celu zwiększenia wskaźnika sukcesu w przenoszeniu nowych środków terapeutycznych z placówki przesiewowej do kliniki. Jeden z użytecznych systemów modelowych o długiej historii wykorzystuje trójwymiarowe klastry komórek nowotworowych znane jako sferoidy nowotworowe1,2. Idealnie byłoby, gdyby techniki tworzenia sferoidów pozwoliły na produkcję dużej liczby jednorodnych sferoid, których rozmiar i skład są kontrolowane przez eksperymentatora. Podczas gdy podejścia wiszące i studzienne3,4 są w stanie spełnić niektóre z tych wymagań, przepustowość jest na ogół ograniczona, a generowanie dużej liczby sferoid staje się pracochłonnym zadaniem.
Niedawno opracowaliśmy system do rozwiązywania podobnych problemów w dziedzinie medycyny regeneracyjnej5. Wykorzystując wymuszoną agregację w szeregu gęsto upakowanych studzienek w skali mikronowej (patrz rysunek 1), podejście to pozwala na generowanie sferoid z dowolnej liczby komórek, w tym mieszanin wielu typów komórek6, a także na wprowadzanie różnych biomateriałów7. Sferoidy powstają w dużych ilościach - od tysięcy do setek tysięcy lub więcej - i mogą być natychmiast ekstrahowane lub utrzymywane w mikrostudzienkach, w których zostały utworzone, z wymianą pożywki przez co najmniej jeden od8 do dwóch (niepublikowana obserwacja) tygodni. System ten jest zatem dobrze przystosowany do generowania dużej liczby jednorodnych i odtwarzalnych sferoid nowotworowych w celu oceny skuteczności nowych środków przeciwnowotworowych lub podstawowych badań biologicznych.
UWAGA: Płytki Microwell są dostępne w różnych formatach, w zależności od pożądanych rezultatów. Specyfikacje, jak również przybliżone wytyczne dotyczące minimalnej i maksymalnej liczby komórek, które powinny być używane w każdym formacie, przedstawiono w tabeli 1. Mniejsze mikrostudzienki zwężają się do ostrego punktu, a zatem nie ma dolnej granicy rozmiaru, chociaż zmienność między sferoidami staje się bardziej znacząca przy mniejszych rozmiarach. Rutynowa produkcja sferoid z zaledwie 20 komórek każda jest prosta8. Większy rozmiar mikrostudzienki nie jest w pełni zwężany, dlatego próby utworzenia sferoid z niewielkiej liczby komórek mogą skutkować wieloma mniejszymi sferoidami w każdej mikrostudzince. Ze względu na niewielkie różnice we właściwościach powierzchni, przygotowanie roztworem środka powierzchniowo czynnego (krok 1.2) nie jest opcjonalne w przypadku stosowania płytek AggreWell 400Ex.
Ten protokół opiera się na użyciu płytek AggreWell 400 - inne formaty znajdują się w Tabeli 1. Liczbę komórek, które należy załadować do każdej studzienki, określa się poprzez pomnożenie liczby zawartych w nim mikrostudzienek przez liczbę komórek, które mają być zgrupowane dla każdej sferoidy. Na przykład, aby wygenerować sferoidy z 1000 komórek każda, każda studzienka musi być załadowana (1,200 sferoidami razy 1,000 komórek każda = ) 1,2 x 106 komórek. Gęstość komórek należy obliczyć, biorąc pod uwagę, że komórki zostaną załadowane w objętości 0,4 ml. Tak więc dla przykładu sferoid utworzonych z 1000 komórek każda, 1,2 x 106 komórek w 0,4 ml przekłada się na gęstość 3 x 106 komórek na ml.
1. Przygotowanie mikrostudzienek do odbioru komórek
2. Przygotowanie komórek
UWAGA: Szczegóły przygotowania komórek będą się nieco różnić w zależności od konkretnego typu badanej komórki. Zaobserwowaliśmy jednak, że warunki te są skuteczne w przypadku szerokiego zakresu komórek, w tym omawianych tutaj linii, a także ludzkich i mysich embrionalnych komórek macierzystych (ESC), ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), fibroblastów, przypuszczalnej pierwotnej endodermy i komórek zrębu. Inne grupy z powodzeniem wykorzystały ten system w szerokim zakresie zastosowań, w tym w chondrogenezie z mezenchymalnych komórek macierzystych9, standaryzowanym wytwarzaniu prekursorów nerwowych z pluripotencjalnych komórek macierzystych10, analizach toksykologicznych w hepatocytach11 i ocenie regeneracji rdzenia kręgowego u salamander12. Szczegółowy protokół pracy z komórkami HT29 jest pokazany tutaj.
3. Formacja sferoidalna
UWAGA: Sferoidy mogą być generowane w różnych formułach pożywki, jednak początkowe próby powinny być przeprowadzone przy użyciu pożywki, w której komórki były hodowane, aby odróżnić konsekwencje przejścia na 3-wymiarowy system hodowli od konsekwencji zmiany składu pożywki.
UWAGA: Jeśli widoczne są dowody na nierównomierne rozmieszczenie komórek, może być konieczne nałożenie niewielkiej ilości smaru na punkty obrotu na nośniku płyty - skonsultuj się z producentem wirówki w celu uzyskania instrukcji.
UWAGA: Po odwirowaniu komórek do mikrostudzienek, są one dość odporne na wymywanie przez drobne ruchy płytki. Należy unikać gwałtownych ruchów, które powodują chlupotanie podłoża, ale przeniesienie płytki z wirówki do mikroskopu lub inkubatora nie powinno spowodować znacznego przemieszczenia komórek.
Sferoidy z wielu linii nowotworowych o różnym pochodzeniu anatomicznym mogą być łatwo generowane i ekstrahowane do hodowli zawiesinowej. Rysunek 3 ilustruje konsekwentną kontrolę wielkości możliwą do uzyskania za pomocą tej metody, z wysoce jednorodnymi populacjami sferoidalnymi w każdym warunku. Widoczne są również wyraźne różnice w zachowaniu między liniami, przy czym komórki raka jelita grubego HT29 i komórki raka przełyku TE6 tworzą gęsto upakowane sferoidy o ostro zdefiniowanych granicach, podczas gdy komórki raka prostaty LNCaP dały początek mniej spójnym sferoidom o nieregularnych granicach (patrz Dyskusja dla możliwych przyczyn). Silniejsze siły wewnętrzne w bardziej spójnych agregatach powodowały również zapadanie się do bardziej symetrycznej formy, nawet gdy były jeszcze w mikrostudzienkach, w których zostały uformowane, podczas gdy agregaty LNCaP, szczególnie przy większych rozmiarach, widocznie zachowują kwadratowo-piramidalną geometrię mikrostudzienek. Zależność między liczbami komórek wejściowych a fizycznym rozmiarem wynikowej sferoidy będzie zależeć od wielu zmiennych. Objętości teoretyczne oparte na iloczynu objętości na komórkę i liczbie zatrudnionych komórek mogą być zmniejszone przez utratę komórek, która z kolei może obejmować utratę komórek w fazie zawieszenia pojedynczej komórki, a także utratę z powodu zbyt małych agregatów z powodu niewystarczającej liczby sąsiadów oraz z powodu zbyt dużych agregatów z powodu ograniczeń transportu i martwicy rdzenia. Na rozmiar będzie również miała wpływ wszelka proliferacja, która może wystąpić podczas procesu agregacji. Ponieważ parametry te będą się różnić w zależności od linii komórkowej, jeśli pożądane są sferoidy o określonych wymiarach fizycznych, należy eksperymentalnie określić odpowiednią liczbę komórek do wprowadzenia. W pierwszym przybliżeniu oczekuje się, że średnica sferoidy będzie rosła wraz z pierwiastkiem sześciennym liczby włączonych komórek - np. 8-krotny wzrost liczby komórek powinien spowodować podwojenie średnicy sferoidy.

Rysunek 1. Schemat produkcji sferoid. System mikrostudzienek składa się z szeregu ciasno upakowanych mikrostudzienek w kształcie kwadratowej piramidy (625 na cm2 dla 400 μm rozmiaru), do którego komórki mogą być odwirowane. Komórki są łączone ze sobą za pomocą pochyłych ścian bocznych, a wielkość powstałej sferoidy jest kontrolowana przez zmianę gęstości zastosowanej zawiesiny komórek.

Rysunek 2. Składanie skupionych komórek w sferoidy. Sferoidy utworzono z siedmiuset komórek HT29 każda. Bezpośrednio po odwirowaniu (A) komórki są luźno zgrupowane na dnie każdej mikrostudzienki. Należy pamiętać, że w tym przypadku klastry są równomiernie przesunięte w kierunku prawego dolnego rogu. Jest to dopuszczalne, pod warunkiem, że rozmiary klastrów pozostają spójne w całej tablicy. Jeśli widoczne są znaczne różnice w rozmiarach klastrów między jedną stroną tablicy, zobacz Uwaga w kroku 3.5. Po inkubacji przez 24 godziny (B), międzykomórkowe siły adhezyjne spowodowały agregację klastrów i utworzenie spójnych sferoid, które można następnie wyekstrahować (C).

Rysunek 3. Sferoidy generowane w płytkach mikrodołkowych. Sferoidy utworzono z siedmiuset (A, C, E) lub tysiąca pięciuset (B, D, F) komórek raka jelita grubego HT29 (A, B), komórek raka prostaty LNCaP (C, D) lub komórek raka przełyku TE6 (E, F). Zwróć uwagę na konsystencję sferoid w preparacie, a także na zmienność między liniami komórkowymi - w szczególności luźnymi agregatami LNCaP w porównaniu z gęściej upakowanymi komórkami HT29 i TE6. Podziałka skali odpowiada 200 μm.
Tabela 1. Opcje AggreWell i modyfikacje protokołu.
Stworzyliśmy system, w którym duża liczba jednolitych sferoid może być generowana z wielu linii komórkowych z różnych źródeł. Nie spotkaliśmy się jeszcze z przylegającą linią komórkową, która nie tworzy sferoid w tych warunkach. Wcześniej obserwowaliśmy utratę komórek w populacjach podatnych na anoikis5,8, jednak do tej pory problem ten nie pojawił się w przypadku linii nowotworowych. System jest dowolnie skalowalny w zależności od powierzchni, z zachowaniem spójnym we wszystkich mikrodołkach w formacie 24- i 6-dołkowym, a także w prototypowych bioreaktorach zawierających 50 000 mikrodołków, z których każdy jest obecnie w fazie rozwoju.
Jeśli asymetria sferoidalna jest problemem, czas inkubacji opisany w kroku 4.8 może zostać wydłużony do dwóch lub trzech dni. Sferoidy mogą być również inkubowane przez pewien czas po ekstrakcji z mikrostudzienek w celu zwiększenia symetrii, jednak w tym przypadku należy zachować ostrożność, aby utrzymać wystarczająco niską gęstość hodowli, ponieważ sferoidy stykające się ze sobą często łączą się w większe struktury. Z tego powodu wcześniej utrzymywaliśmy kultury w mikrostudzienkach, w których powstały agregaty, przy czym głównym ograniczeniem był rozmiar sferoidy. To z kolei jest funkcją zarówno szybkości wzrostu, jak i początkowej wielkości8, a jeśli planowana jest rozszerzona hodowla w płytce mikrodołkowej, należy to rozważyć z wyprzedzeniem. Opcje zapobiegania przerostowi, jeśli do niego dojdzie, obejmują rozpoczęcie od mniejszych sferoid lub zastosowanie większych mikrodołków płytki AggreWell 800.
Jeśli sferoidy nie zwiększą swojej koherencji w czasie, jedną z potencjalnych przyczyn może być śmierć komórki. Szczególnie w większych skupiskach wysoce aktywnych metabolicznie komórek, ograniczenia transportu masy w dostarczaniu tlenu i niezbędnych składników odżywczych mogą skutkować nekrotycznym rdzeniem2 - tak więc niespoiste sferoidy mogą być po prostu konsekwencją nadmiernej śmierci komórki. Alternatywnie, pomiary kohezji mechanicznej sferoid zostały wykorzystane do oceny międzykomórkowych sił wiązania w odniesieniu do potencjału przerzutowego danej linii komórkowej13. Interesujące byłoby zbadanie związku między kształtem sferoidalnym a potencjałem przerzutowym, być może przy użyciu parametrów morfometrycznych, takich jak okrągłość i stosunek obwodu do powierzchni.
Oprócz badania właściwości mechanicznych i morfometrycznych sferoid, montaż w systemie mikrostudzienki pozwala na produkcję sferoid o mieszanym składzie na dużą skalę, składających się z kombinacji wielu typów komórek i / lub biomateriałów6,7. Interakcje komórek nowotworowych z innymi typami komórek są ważne dla dokładniejszego modelowania zachowania nowotworów in vivo14, dlatego interesujące może być generowanie sferoid z komórek nowotworowych w połączeniu na przykład z fibroblastami i komórkami śródbłonka. Mikrocząstki różnych biomateriałów mogą być również włączane i mogą wpływać na właściwości sferoidalne zarówno bezpośrednio poprzez ich interakcje z komórkami7,15, jak i jako rezerwuary kontrolowanego uwalniania czynników wzrostu i cytokin do wnętrza sferoidy16.
Jeśli istnieje jakakolwiek obawa co do sterylności, na przykład podczas pracy z płytką mikrodołkową, w której wcześniej używano niektórych studzienek, które mogły spędzić trochę czasu w inkubatorze w ramach poprzedniego eksperymentu, studzienki można ponownie wysterylizować przy użyciu 70% etanolu w wodzie.
Po uformowaniu sferoid można je również oddzielić od pozostałych komórek nieinkorporowanych, przepuszczając zawiesinę przez sitko do komórek. Poszczególne komórki przejdą, podczas gdy sferoidy zostaną zachowane. Jeśli istnieje podejrzenie, że sferoida wydziela komórki potencjalnie przerzutowe w trakcie hodowli, pożądane może być wielokrotne wykonanie tej procedury - początkowo w celu usunięcia komórek nieinkorporowanych, a następnie w celu wyizolowania oczyszczonych populacji komórek wydzielanych przez sferoidy.
Dr Ungrin jako wynalazca ma interes finansowy w technologii AggreWell.
Ta praca została sfinansowana przez Uniwersytet w Calgary, w ramach grantu dla nowego badacza dla dr. Ungrina.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Płytka AggreWell 400 | firmy StemCell Technologies Inc. | 27845/27945 | |
| Roztwór do płukania | StemCell Technologies Inc. | 07010 | |
| Sitko do komórek (37 &mikro; m) | StemCell Technologies Inc. | 27215 | |
| PBS | VWR / LONZA | CA12001-676 | |
| Trypsyna-Versene (EDTA) | VWR / LONZA | CA12001-660 | |
| DMEM | VWR / LONZA | CA12002-212 | |
| FBS | VWR / LONZA | CA-95042-112 | |
| TrypLE | Invitrogen / Life Technologies | 12605010 | |
| Mikroskop odwrócony | VWR / Motic | Wirówka CA19000-610 | |
| Allegra X15R z nośnikami do standardowych płytek studziennych | VWR / Beckman | CABKA99465, CABK369704, CABK392806 | |
| Szafa bezpieczeństwa biologicznego z przepływem laminarnym | ESBE / Baker | BKR-SG603AHEUVSP |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie