Celem tego protokołu jest ocena specyficzności leków przeciwnowotworowych in vitro przy użyciu mieszanych kultur zawierających zarówno komórki nowotworowe, jak i nienowotworowe.
Artykuł metodologiczny
Celem tego protokołu jest ocena specyficzności leków przeciwnowotworowych in vitro przy użyciu mieszanych kultur zawierających zarówno komórki nowotworowe, jak i nienowotworowe.
Przedstawiono procedurę oceny specyficzności leków przeciwnowotworowych in vitro przy użyciu kultur zawierających zarówno komórki nowotworowe, jak i nienowotworowe. Kluczowym elementem jest ilościowe określenie specyficznej dla nowotworu zmiany genetycznej w stosunku do sekwencji uniwersalnej za pomocą cyfrowego testu PCR z dwiema sondami, a następnie obliczenie proporcji komórek nowotworowych. Test przeprowadza się na hodowli zawierającej komórki nowotworowe ustalonej linii i wzbogacone komórki nienowotworowe. Mieszaną kulturę traktuje się testowym lekiem w różnych stężeniach. Po zabiegu DNA jest przygotowywane bezpośrednio z ocalałych komórek adhezyjnych w studzienkach z 96-dołkowymi płytkami przy użyciu prostej i niedrogiej metody i poddawane cyfrowemu testowi PCR z podwójną sondą w celu pomiaru specyficznej dla nowotworu zmiany genetycznej i uniwersalnej sekwencji referencyjnej. W niniejszej demonstracji heterozygotyczna delecja genu NF1 jest wykorzystywana jako specyficzna dla nowotworu zmiana genetyczna i gen RPP30 jako gen odniesienia. Za pomocą stosunku NF1/RPP30 obliczono proporcję komórek nowotworowych. Ponieważ zależna od dawki zmiana proporcji komórek nowotworowych stanowi wskazanie in vitro do specyficzności leku, ten genetyczny i komórkowy test in vitro prawdopodobnie będzie miał potencjał zastosowania w odkrywaniu leków. Ponadto, w przypadku spersonalizowanej opieki onkologicznej, to genetyczne i komórkowe narzędzie może przyczynić się do optymalizacji chemioterapii uzupełniającej poprzez testowanie skuteczności i swoistości potencjalnych leków przy użyciu pierwotnych kultur poszczególnych nowotworów.
Terapeutyczne efekty leków przeciwnowotworowych na komórki nowotworowe są związane z różnymi niepożądanymi efektami toksycznymi na komórkach nienowotworowych. Skutki toksyczne są trudne do oceny w laboratorium, głównie ze względu na brak odpowiednich narzędzi1. Hodowle komórkowe zawierające zarówno komórki nowotworowe, jak i nienowotworowe stanowiłyby potencjalne źródło in vitro do oceny swoistości lub selektywności leku, co może rzucić światło na toksyczność kliniczną. Jednak konwencjonalne testy in vitro, takie jak testy proliferacji lub żywotności, mierzą wpływ leku na wszystkie komórki, ale nie mogą podzielić wpływu na część na komórki nowotworowe i część na komórki nienowotworowe. Na przykład 50% zmniejszenie całkowitej liczby komórek w kulturze składającej się z 50% komórek nowotworowych i 50% komórek nienowotworowych może oznaczać śmierć wszystkich komórek nowotworowych, śmierć wszystkich komórek nienowotworowych lub, co bardziej prawdopodobne, śmierć części obu w różnych proporcjach.
Również z powodu tego problemu technicznego, pierwotne hodowle, które zawierają komórki zrębu guza i nienowotworowe, często nie nadają się do testowania leków. Z drugiej strony, ze względu na tę heterogeniczność komórkową, kultury pierwotne znacznie bardziej przypominają swoje pierwotne guzy niż komórki klonalne w ustalonych liniach komórkowych2. Co ważniejsze, posiewy pierwotne są specyficzne dla pacjenta i mogą umożliwiać zindywidualizowane testy narkotykowe2-4.
Zasadniczą kwestią jest zatem opracowanie metody określania proporcji komórek nowotworowych w mieszanych kulturach, w tym w kulturach pierwotnych. W odpowiedzi na to wyzwanie opracowano rozwiązanie genetyczne, które opiera się na określeniu ilościowego stosunku cechy genetycznej specyficznej dla nowotworu do uniwersalnej sekwencji referencyjnej. Na podstawie tego stosunku można obliczyć proporcję komórek nowotworowych w mieszanej kulturze.
To badanie ilustruje procedurę genetycznego i komórkowego narzędzia do oceny specyficzności leków przeciwnowotworowych, w tym (1) przygotowanie mieszanej kultury z komórek nowotworowych o ustalonej linii i nienowotworowych fibroblastów, (2) traktowanie mieszanej kultury testowym lekiem, (3) przygotowanie DNA do cyfrowego PCR, (4) określanie stosunku heterozygotycznej delecji specyficznej dla nowotworu do sekwencji referencyjnej za pomocą cyfrowego testu PCR z podwójną sondą, (5) obliczanie proporcji komórek nowotworowych przy każdym stężeniu leku oraz (6) obliczanie zależnej od dawki zmiany proporcji komórek nowotworowych.
1. Przygotowanie kultury mieszanej zawierającej zarówno komórki nowotworowe, jak i nienowotworowe
2. Leczenie farmakologiczne
3. Przygotowanie DNA do Digital PCR
4. Cyfrowy PCR
5. Obliczanie proporcji komórek nowotworowych
6. Zależna od dawki zmiana proporcji komórek nowotworowych
Jakość DNA przygotowanego przy użyciu połączonej metody HotShot/Drop-Dialysis jest wystarczająca do satysfakcjonującego przeprowadzenia cyfrowej PCR (Rysunek 1B). Dla 2 000 fibroblastów uzyskano około 3 000 ± 500 kropli pozytywnych, co odpowiada 75% z oczekiwanych 4 000 kopii (dwie kopie w jednej komórce). W niniejszym badaniu komórki nowotworowe pochodziły z ustalonej linii MPNST S462, o której wiadomo, że posiada heterozygotyczną delecję genu NF15. To 50-procentowe zmniejszenie dawki genu zostało wyraźnie wykryte za pomocą podwójnego testu cyfrowej PCR (Rysunek 1B). W przeciwieństwie do tego, w fibroblastach zmierzono dwie kopie tego genu. Ta różnica genetyczna między komórkami nowotworowymi a nienowotworowymi umożliwia obliczenie proporcji komórek nowotworowych w kulturach mieszanych (Rysunek 2). Poprzez pomiar względnej dawki genu NF1 w stosunku do RPP30, proporcję komórek nowotworowych w kulturze mieszanej można określić dla każdego stężenia leku (Rysunek 3).

Rycina 1. Cyfrowy PCR. (A) ilustracja zasady działania. (B) analiza z użyciem podwójnej sondy wykazuje zmniejszoną ilość genu docelowego (NF1) w komórkach nowotworowych MPNST S462 w stosunku do genu referencyjnego (RPP30). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rycina 2. Obliczona proporcja komórek nowotworowych. Komórki nowotworowe i nie-nowotworowe zmieszano w różnych stosunkach i wysiano do każdego dołka płytki 96-dołkowej. Po nocnej inkubacji w celu adhezji komórki poddano lizie metodą HotShot/Drop-dialysis, a odsolone lizaty poddano cyfrowej PCR, co pozwoliło uzyskać stosunek NF1/RPP30. Na podstawie tego stosunku obliczono proporcję komórek nowotworowych w każdym dołku. Średnią i odchylenie standardowe proporcji komórek nowotworowych obliczono z 4 powtórzeń dla każdej zaplanowanej proporcji. Obliczone proporcje komórek nowotworowych (oś Y) naniesiono względem proporcji zaplanowanych (oś X). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3. Zależna od dawki zmiana proporcji komórek nowotworowych. (A) zależna od dawki redukcja widocznych żywych komórek. (B) proporcja komórek nowotworowych (średnia i odchylenie standardowe z 4 powtórzeń) obliczona na podstawie stosunku NF1: RPP30, która malała w zakresie 0 - 10 µM. Przy najwyższej dawce 50 µM pozostało niewiele żywych komórek, co prawdopodobnie wynika z toksycznego efektu dla wszystkich komórek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4. Oddzielenie odpowiedzi komórek nowotworowych od odpowiedzi komórek nienowotworowych. (A) żywotność i/lub proliferację wszystkich komórek można zmierzyć za pomocą konwencjonalnych testów; proporcję komórek nowotworowych można określić przy użyciu procedury przedstawionej w niniejszym badaniu. (B) wykorzystując oba parametry, odpowiedź wszystkich komórek w kulturze mieszanej na lek można podzielić na odpowiedź komórek nowotworowych oraz odpowiedź komórek nienowotworowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| 1 reakcja | ||
| 2 x ddPCR supermix | 12 | |
| Mieszanina testowa dla NF1 | 1.2 | |
| Mieszanina testowa dla RPP30 | 1.2 | |
| HaeIII | 0.6 | |
| Suma częściowa | 15 | Mieszanina główna (Master mix) |
| DNA | 9 | |
| Suma całkowita | 24 | Końcowa mieszanina PCR |
Tabela 1 Przygotowanie podwójnej reakcji ddPCR
| Krok | Działanie | Temperatura | Czas | Cykle |
| 1 | Aktywacja polimerazy | 95 °C | 10 min | 1 |
| 2 | Denaturacja DNA | 94 °C | 30 s | 40 |
| 3 | Przyłączanie/elongacja | 60 °C | 1 min | |
| 4 | Dezaktywacja polimerazy | 98 °C | 10 min | 1 |
| 5 | Przytrzymać (opcjonalnie) | 4 °C |
Tabela 2 Ustawienia termocyklera PCR
Kluczowym krokiem w tym genetycznym i komórkowym narzędziu do oceny swoistości leku in vitro jest określenie proporcji komórek nowotworowych przy użyciu jednej lub więcej cech genetycznych specyficznych dla nowotworu. W przeciwieństwie do konwencjonalnych cech fenotypowych7, cechy genetyczne są specyficzne, stabilne i łatwe do ilościowego określenia. Na przykład mutacja specyficzna dla nowotworu lub zmiana liczby kopii jest obecna wyłącznie w komórkach nowotworowych, ale nie w komórkach nienowotworowych. Takie piętno genetyczne można wiarygodnie i precyzyjnie określić ilościowo, na przykład za pomocą cyfrowego PCR, jak wykazano w tym badaniu.
W przypadku cyfrowego PCR wysoka czystość DNA nie jest niezbędna. Konieczne jest jednak odsalanie i usuwanie cząsteczek hamujących, co można osiągnąć za pomocą dializy kroplowej przy użyciu odpowiedniego filtra. Połączenie lizy i dializy kropelkowej jest proste i szybkie, nie wymaga specjalnych narzędzi i dlatego można je przeprowadzić w każdym standardowym laboratorium. Jeśli komórki nie pękają prawidłowo, można rozważyć dodatkowe leczenie, takie jak zamrożenie komórek w temperaturze -20 °C, dodanie detergentu i/lub użycie proteazy.
W niniejszym badaniu heterozygotyczną delecję genu NF1 wykorzystano jako cechę specyficzną dla nowotworu do oceny ilościowej. Podobnie można również wykorzystać delecje innych genów lub loci. Co więcej, mutacje mogą być również wykorzystywane do ilościowego określania komórek nowotworowych. W takim przypadku cyfrowe testy PCR dla zmutowanych i normalnych alleli muszą zostać szeroko zwalidowane, aby zapewnić ich swoistość dla każdego z nich.
Zależna od dawki proporcja komórek nowotworowych stanowi wskazanie do specyficzności lub selektywności leku. Co więcej, umożliwia również ekstrakcję odpowiedzi komórek nowotworowych z odpowiedzi wszystkich komórek mieszanej kultury na lek (ryc. 4). Ta strategia ekstrakcji stanowi rozwiązanie problemu technicznego związanego z wykorzystaniem kultur pierwotnych (które zawierają zarówno komórki nowotworowe, jak i nienowotworowe) do testowania leków.
Genetyczne i komórkowe narzędzie in vitro zademonstrowane w niniejszym badaniu może zatem mieć potencjał aplikacyjny (1) w odkrywaniu leków, gdzie stanowi platformę do oceny swoistości lub selektywności leków in vitro oraz (2) w spersonalizowanej opiece onkologicznej, gdzie umożliwia testowanie leków w hodowlach pierwotnych, a w konsekwencji może przyczynić się do selekcji leków w chemioterapii uzupełniającej4. Co więcej, za pomocą tego narzędzia można badać mechanizm farmakologiczny leku, ponieważ podczas leczenia farmakologicznego można zaobserwować pewne zmiany genetyczne lub wielokrotne zmiany genetyczne.
Trudnością w stosowaniu zindywidualizowanych kultur pierwotnych jest brak uniwersalnej cechy genetycznej do ilościowego oznaczania komórek nowotworowych. Jednak przy dzisiejszym postępie w sekwencjonowaniu całego genomu, najczęściej zmieniane geny i regiony są znane z powszechnych nowotworów. Na przykład wśród nowotworów głowy i szyi 71%, 23% i 22% ma mutacje w genach TP53, FAT1 i CDKN2A , a 60%, 34% i 26% ma delecje w regionach genów CDKN2A, STK11 i PTEN, odpowiednio10. Badanie przesiewowe od 5 do 10 takich genów i/lub regionów za pomocą sekwencjonowania celowanego i/lub cyfrowego PCR prawdopodobnie zidentyfikuje zatem jedną lub więcej zmian genetycznych, które można wykorzystać do ilościowego określenia komórek nowotworowych w uzyskanej hodowli pierwotnej. Innym ograniczeniem jest często niewystarczająca liczba wyciętych guzów do założenia pierwotnych kultur.
Pomimo korzystnych cech i obiecującego potencjału aplikacyjnego narzędzia do badań in vitro opartego na genach i komórkach, należy pamiętać o jego ograniczeniach i podkreślać jego charakter in vitro . Na przykład zróżnicowane działanie lub cytotoksyczność leku na komórki nowotworowe może wynikać raczej z różnic w typach komórek (fibroblasty vs. komórki Schwanna) lub ich różnego pochodzenia (od różnych osób). Silniejszy wpływ leku na komórki nowotworowe niż na komórki nienowotworowe można również wytłumaczyć faktem, że te pierwsze rosną szybciej niż te drugie. Co najważniejsze, zachowanie komórek in vitro różni się od zachowania komórek w ludzkim ciele, a co za tym idzie, wyniki oceny in vitro często nie odzwierciedlają rzeczywistej sytuacji klinicznej lub odzwierciedlają ją tylko częściowo. W związku z tym skuteczność, cytotoksyczność i swoistość leków uzyskanych dla hodowanych komórek mają raczej charakter biomarkerów, ale nie mają takiej wiarygodności, jak przedklinicznie mierzona skuteczność antybiotyków. Niemniej jednak przejście od linii komórkowych do kultur mieszanych i/lub kultur pierwotnych jest krokiem naprzód w ocenie działania leku i swoistości/selektywności in vitro. Dzięki szeroko zakrojonym wysiłkom możliwe jest znalezienie warunków in vitro , które umożliwiają rozsądną korelację danych z in vitro z rzeczywistymi reakcjami pacjentów, przynajmniej w przypadku niektórych leków.
Procedura jest chroniona patentem (10 2013 221 452, Niemcy)
Pani Alster, Pan Honrath i Dr Jiang są doceniani za wyjątkową pomoc techniczną. Doceniany jest również dr Volz i grupa badawcza dr Dandri za zapewnienie dostępu do ich cyfrowego urządzenia do PCR.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Filtr membranowy o średnicy 25 mm | Merk-Millipore | VSWP 02500 | Do testu ddPCR do dializy kroplowej |
| NF1 | BioRad | dHsaCP1000177 | znakowany FAM |
| dla RPP30 | BioRad | dHsaCP2500350 | z oznaczeniem HEX |
| BioRad | 186-4001 | W badaniu wykorzystano poprzednią wersję QX, która nie jest już dostępna. Zamiennikiem jest QX200 | |
| Olej kropelkowy | BioRad | 186-3005 | |
| Cartriges | BioRad | 186-3004 | |
| Uszczelki | BioRad | 186-3009 | |
| Uchwyt kartridżowy | BioRad | 186-3051 | |
| Folia przebijana | BioRad | 181-4040 |