Ten protokół przedstawia zautomatyzowaną, opartą na obrazie technikę wysokoprzepustową do identyfikacji związków modulujących zabijanie komórek raka piersi za pośrednictwem komórek NK w obecności terapeutycznego przeciwciała anty-HER-2.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten protokół przedstawia zautomatyzowaną, opartą na obrazie technikę wysokoprzepustową do identyfikacji związków modulujących zabijanie komórek raka piersi za pośrednictwem komórek NK w obecności terapeutycznego przeciwciała anty-HER-2.
Immunoterapia przeciwciałami specyficznymi dla antygenu lub inhibitorami immunologicznych punktów kontrolnych zrewolucjonizowała terapię raka piersi. Komórki raka piersi wykazujące ekspresję receptora naskórkowego czynnika wzrostu HER2 mogą być celem przeciwciała anty-HER-2 trastuzumabu. Cytotoksyczność komórkowa zależna od przeciwciał (ADCC) jest ważnym mechanizmem związanym z przeciwnowotworowym działaniem HER-2. Trastuzumab związany z komórkami nowotworowymi może być rozpoznawany przez receptory Fc komórek efektorowych ADCC (np. komórek NK), makrofagów i granulocytów), wyzwalając aktywność cytotoksyczną tych komórek odpornościowych prowadzącą do śmierci komórek nowotworowych. Postanowiliśmy opracować oparty na obrazie test do oznaczania ilościowego ADCC w celu identyfikacji nowych związków modulatorów ADCC za pomocą badań przesiewowych o wysokiej zawartości. W teście komórki raka piersi JIMT-1 z nadekspresją HER2 są hodowane wspólnie z komórkami NK-92 w obecności trastuzumabu, a śmierć komórek docelowych określa się ilościowo za pomocą zautomatyzowanej mikroskopii i ilościowej analizy obrazu. Komórki docelowe odróżnia się od komórek efektorowych na podstawie ich fluorescencji EGFP. Pokazujemy, w jaki sposób biblioteki związków mogą być testowane w teście w celu identyfikacji leków modulujących ADCC. W tym celu stworzono płytkę testową biblioteki związków chemicznych przy użyciu losowo wybranych chemikaliów wysokowartościowych z półki laboratoryjnej. W bibliotece testowej znalazły się również trzy związki destabilizujące mikrotubule (kolchicyna, winkrystyna, podofilotoksyna), które mogą zakłócać migrację i degranulację komórek NK. Badanie przesiewowe zidentyfikowało wszystkie trzy związki kontroli pozytywnej jako trafienia potwierdzające przydatność metody do identyfikacji leków modyfikujących ADCC w bibliotece chemicznej. Dzięki temu testowi można przeprowadzić badania przesiewowe biblioteki związków w celu zidentyfikowania związków wzmacniających ADCC, które mogą być stosowane jako uzupełniające środki terapeutyczne w leczeniu pacjentów otrzymujących immunoterapię przeciwnowotworową. Ponadto metoda ta może być również stosowana do identyfikacji wszelkich niepożądanych skutków ubocznych hamujących ADCC leków terapeutycznych przyjmowanych przez pacjentów onkologicznych w różnych wskazaniach.
Immunoterapia z zastosowaniem przeciwciał przeciwnowotworowych, inhibitorów punktów kontrolnych układu odpornościowego lub limfocytów T z chimerycznym receptorem antygenowym (CAR-T) stanowi potężne podejście w leczeniu raka1,2,3. Trastuzumab jest humanizowanym monoklonalnym przeciwciałem anty-HER-2 (ludzki receptor 2 dla czynnika wzrostu naskórka) stosowanym w leczeniu HER-2 dodatniego raka piersi we wczesnym stadium lub w formie przerzutowej, a także przerzutowego raka żołądka HER-2 dodatniego4,5,6. Działa on przede wszystkim poprzez hamowanie efektu stymulującego proliferację przez czynnik wzrostu naskórka4. Doniesiono jednak, że trastuzumab skutecznie wywołuje śmierć komórek nowotworowych nawet wtedy, gdy komórki te utraciły reaktywność na stymulację HER-27. Ten paradoksalny efekt przeciwciała wynika z cytotoksyczności komórkowej zależnej od przeciwciał (ADCC)7. ADCC może być pośredniczone przez komórki NK (natural killer), granulocyty i makrofagi, określane zbiorczo jako komórki efektorowe ADCC8,9. Jeśli przeciwciało, takie jak trastuzumab, wiąże się z komórkami nowotworowymi, komórki efektorowe wykorzystują swoje receptory Fc do związania stałego (Fc) regionu przeciwciała. Przeciwciało tworzy pomost między komórkami nowotworowymi a komórkami efektorowymi posiadającymi receptor Fc, co wyzwala uwalnianie mediatorów cytotoksycznych10. Komórki NK uwalniają cytotoksyczną zawartość swoich ziarnistości zawierającą perforynę, aby wytworzyć pory w błonie komórkowej komórki docelowej, oraz granzym (wyzwalający szlaki sygnalizacyjne śmierci komórki) do synapsy immunologicznej, co prowadzi do apoptozy komórek nowotworowych (patrz Rycina 1).

Rysunek 1: Oddziaływania komórek efektorowych i docelowych w ADCC. Receptor Fcγ na powierzchni komórki efektorowej NK rozpoznaje region Fc przeciwciała anty-HER2 trastuzumabu, swoistego dla cząsteczki HER2 wykazywanej na powierzchni komórki nowotworowej. W ten sposób między obiema komórkami tworzy się tzw. synapsa immunologiczna, co indukuje ukierunkowaną egzocytozę ziarnistości cytotoksycznych komórki efektorowej. Uwolnione cząsteczki perforyny i granzymu prowadzą w konsekwencji do apoptozy komórki docelowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Wcześniej opracowano kilka testów do ilościowego oznaczania cytotoksyczności, w tym ADCC. Złotym standardem jest metoda uwalniania radioaktywnego chromu, w której komórki docelowe są znakowane radioaktywnym izotopem 51Cr, a stopień ADCC określa się poprzez pomiar radioaktywności nadpływu z lizowanych komórek docelowych11. Ze względu na oczywiste problemy wynikające ze ściśle regulowanej obsługi, przechowywania i utylizacji radioaktywnych farmaceutyków i odpadów, metoda ta staje się coraz mniej popularna wśród naukowców zajmujących się naukami o życiu. Ponadto nie nadaje się ona do zastosowań wysokoprzepustowych. Pomiar aktywności enzymów (np. dehydrogenazy mleczanowej) uwalnianych z zabitych komórek docelowych może stanowić niepromieniotwórczą alternatywę dla testu 51Cr12. Testy te nie pozwalają jednak odróżnić śmierci komórek docelowych od śmierci komórek efektorowych. Metoda elektrycznego pomiaru impedancji między komórką a podłożem (ECIS) okazała się odpowiednia do ilościowego oznaczania ADCC13, jednak aparatura ECIS nie jest dostępna w większości laboratoriów, a sama technika nie jest kompatybilna z zastosowaniami lub przesiewaniem wysokoprzepustowym. Komórki znakowane fluorescencyjnie stanowią popularną alternatywę w wielu testach biologii komórki i są często wykorzystywane w cytometrii przepływowej lub aplikacjach opartych na czytnikach płytek14,15,16. Jednak testy te często obejmują etapy płukania lub są w inny sposób niekompatybilne z zastosowaniami wysokoprzepustowymi (np. techniki oparte na cytometrii przepływowej). Niektóre popularne testy cytotoksyczności, które teoretycznie powinny nadawać się do ilościowego oznaczania ADCC, nie pozwalają na wiarygodne określenie wydajności ADCC13. Ostatnio, wraz z upowszechnieniem fluorescencyjnej mikroskopii konfokalnej, testy obrazowe o wysokiej zawartości danych (high-content assays) stają się coraz bardziej popularne w różnych obszarach nauk o życiu17. Z jednej strony sprzęt do obrazowania komórek jest obecnie dość powszechny, a z drugiej strony z uzyskanych obrazów można zebrać niemal nieograniczoną liczbę parametrów morfologicznych. Dlatego postawiliśmy sobie za cel opracowanie testu ADCC kompatybilnego z przesiewaniem wysokoprzepustowym o wysokiej zawartości danych oraz wykazanie jego przydatności do przesiewania bibliotek związków.
W niniejszym opracowaniu przedstawiamy oparty na obrazowaniu test ADCC oraz demonstrujemy, w jaki sposób test ten może być wykorzystany do wysokoprzepustowego przesiewu obrazowego (High-Content Screening, HCS) w celu identyfikacji związków modulujących ADCC. Model opiera się na komórkach docelowych raka piersi JIMT-1, komórkach efektorowych CD16.176V.NK-92 oraz humanizowanym monoklonalnym przeciwciele anty-HER2 trastuzumab. Dzięki tej metodzie możliwe jest zidentyfikowanie leków, które mogą nasilać działanie NK w niszczeniu guzów, lub uzyskanie wglądu w mechanizm ADCC pośredniczonego przez komórki NK poprzez identyfikację małych cząsteczek zakłócających ADCC. Sugerujemy, że naukowcy z dziedziny nauk o życiu, dążący do ilościowego określenia cytotoksyczności pośredniczonej przez komórki, ze szczególnym uwzględnieniem ADCC, mogą odnieść korzyść z zastosowania tego testu zarówno w badaniach podstawowych, jak i w rozwoju leków. Test ten może stanowić alternatywę w przypadku, gdy laboratorium ma dostęp do obrazowania fluorescencyjnego i analizy ilościowej obrazów oraz posiada w tym zakresie pewne doświadczenie.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Kluczowe etapy procedury analizy przedstawiono na Rysunku 2.

Rysunek 2: Schemat badania przesiewowego ADCC. Komórki docelowe JIMT-1-EGFP wysiane na płytki HCS z 96 dołkami są traktowane związkami z biblioteki chemicznej. Następnie dodaje się niebarwione komórki NK (efektorowe) oraz trastuzumab, a płytkę obrazuje się w punkcie czasowym 0 oraz po 3 h inkubacji. Ocena ADCC opiera się na zmianie liczby żywych (przylegających do powierzchni) komórek docelowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
1. Powlekanie płytki HCS
2. Wysiew komórek JIMT-1 z ekspresją wzmocnionego zielonego białka fluorescencyjnego (EGFP)
UWAGA: Komórki JIMT-1 ekspresujące EGFP zostały wygenerowane w naszej poprzedniej pracy18, a komórki hodowano w kolbach do hodowli tkankowej T25 w pożywce JIMT-1 (patrz skład w kroku 1.1).
3. Wstępna inkubacja komórek JIMT-1 EGFP z biblioteką związków
4. Rozpoczęcie testu ADCC poprzez dodanie komórek efektorowych
UWAGA: Komórki CD16.176V.NK92 (dalej nazywane komórkami NK92) hodowano w pożywce α-MEM uzupełnionej o 20% FBS, 1% MEM-NEAA, 1% pirogronianu sodu, 1% glutaminy, 1% penicyliny-streptomycyny oraz 100 IU/mL IL-2.
5. Obrazowanie
UWAGA: Płytki należy obrazować w dwóch punktach czasowych: po pierwsze, natychmiast po dodaniu komórek efektorowych do komórek docelowych, a po drugie, 3 h po dodaniu komórek NK. Do obrazowania można wykorzystać analizator wysokoprzepustowy (high-content analyzer) wraz z oprogramowaniem lub odpowiednie alternatywy (patrz Tabela materiałów).
6. Analiza obrazu
UWAGA: Aby przeanalizować wydajność ADCC, należy zliczyć żywe komórki JIMT-1. Komórki docelowe zniszczone w procesie ADCC odrywają się od powierzchni i oddalają od płaszczyzny ogniskowej mikroskopu. W związku z tym różnica między liczbą żywych komórek na początku i na końcu reakcji ADCC odpowiada liczbie komórek docelowych wyeliminowanych przez ADCC. W celu zademonstrowania sposobu opracowania sekwencji oceny, w filmie pokazano kontrolną studzienkę ADCC.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Aby zademonstrować działanie testu w praktyce, stworzono bibliotekę testową składającą się z 16 związków wybranych losowo z zasobów laboratoryjnych (Rysunek 3). Dodatkowo, jako kontrolę negatywną zastosowano DMSO, a jako kontrole pozytywne trzy związki hamujące polimeryzację mikrotubul (kolchicynę, winkrystynę i podofilotoksynę). Oczekiwano, że te ostatnie zahamują ADCC poprzez zakłócenie migracji komórek NK do komórek nowotworowych oraz degranulacji komórek NK. Wszystkie związki testowe ora...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Reakcja ADCC została opisana stosunkowo dawno temu. Opisano również kluczowe zdarzenia molekularne tego procesu19. Metody pomiaru ADCC wahają się od złotego standardu testu uwalniania chromu promieniotwórczego, testów uwalniania enzymów cytoplazmatycznych do kilku testów cytometrii przepływowej lub mikropłytek opartych na fluorescencji20. Jednak częstym ograniczeniem tych testów jest to, że nie nadają się one do zastosowań o wysokiej przepustowości. Wcześniej opracowaliśmy ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów.
LV otrzymało dofinansowanie z grantów Krajowego Biura Badań, Rozwoju i Innowacji GINOP-2.3.2-15-2016-00010 TUMORDNS", GINOP-2.3.2-15-2016-00048-STAYALIVE i OTKA K132193, K147482. Komórki CD16.176V.NK-92 uzyskano od dr Kerry S. Campbell (Fox Chase Center, Philapedlphia, PA, w imieniu Brink Biologics, lnc. San Diego, Kalifornia), są chronione patentami na całym świecie i były licencjonowane przez Nantkwest, lnc. Autorzy są wdzięczni Györgyowi Verebowi i Árpádowi Szöőrowi za pomoc w zastosowaniu linii komórkowej NK-92 oraz za porady techniczne.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 5-fluorouracyl | Applichem | A7686 | w bibliotece złożonej |
| 96-dołkowa płytka Cell Carrier Ultra | PerkinElmer | LLC 6055302 | |
| Betulin | Sigma | B9757 | w bibliotece złożonej |
| CD16.176V.NK92 ogniwa | Nankwest Inc. | ||
| Cerulenin | ChemCruz | sc-396822 | w bibliotece złożonej |
| Cisplatin | Santa Cruz Biotechnology | sc-200896 | w bibliotece złożonej |
| Colchicine | Sigma | C9754 | w bibliotece złożonej |
| Concanavalin-A | Calbiochem | 234567 | w bibliotece złożonej |
| Deksametazon | Sigma | D4902 | w biblioteka związków |
| DMEM/F-12 medium | Sigma | D8437 | w JIMT-1 EGFP medium |
| DMSO | Sigma | D2650 | w bibliotece złożonej |
| Etopozyd | Sigma | E1383 | E1383 |
| Płodowa surowica bydlęca (FBS) | Biosurica | FB-1090/500 | JIMT-1 EGFP i pożywka NK |
| Fisetin | Sigma | F4043 | w bibliotece |
| złożonejRobot do obsługi cieczy Freedom EVO | , TECAN, | ||
| Gallotannin, | Fluka, Chemical Corp. | 16201 | w bibliotece złożonej |
| Glutamina | Gibco | 35,050– 061 | w oprogramowaniu NK medium |
| Harmony | PerkinElmer | ||
| Humanizowane przeciwciało monoklonalne anty-HER2 (Herzuma) | EGIS Pharmaceuticals, Budapeszt, Węgry | N/A Humulin | |
| R (insulina) | Eli Lilly | HI0219 | JIMT-1 EGFP podłoże |
| IL-2 | Novartis Hungá ria Kft. | PHC0026 | w pożywce NK |
| Isatin | Sigma | 114618 | w bibliotece złożonej |
| MEM Non-Essential Amino Acids (MEM-NEAA) | Gibco | 11,140– 050 | w podłożu NK |
| Na-pirogronian | Lonza | BE13-115E | w podłożu |
| NK Naringenina | Sigma | N5893 | w bibliotece złożonej |
| NQDI-1 | Sigma | SML0185 | w bibliotece złożonej |
| Sprzęt do analizy wysokiej zawartości Opera Phenix | PerkinElmer | ||
| Penicylina– streptomycyna | Biosura | LM-A4118 | JIMT-1 EGFP i pożywka NK |
| Pentoksyfilline | Sigma | P1784 | w bibliotece złożonej |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanami (PBS) | Lonza | BE17-517Q | do mycia komórek |
| Podofilotoksyna | Sigma | P4405 | w bibliotece złożonej |
| Kwercetyna | Sigma | Q4951 | w bibliotece |
| złożonejKwas garbnikowy | Sigma | T8406 | w bibliotece złożonej |
| Temozolomid | Sigma | T2577 | w bibliotece złożonej |
| Błękit trypanowy 0,4% roztwór | Sigma | T8154 | do zliczania komórek |
| Siarczan winkrystyny | Sigma | V0400000 | w bibliotece złożonej |
| α-MEM | Sigma | M8042 | w podłożu NK |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.