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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
-Tracking microrheology partícula pode ser usada para quantificar de forma não destrutiva e espacialmente mapear as alterações nas propriedades mecânicas da matriz extracelular em modelos de tumor em 3D.
O microambiente mecânica tenha sido mostrado que actua como um regulador essencial do comportamento de crescimento tumoral e a sinalização, que é em si remodelada e modificada como parte de um conjunto de interacções, bidireccional mechanosensitive complexos. Enquanto o desenvolvimento de modelos de tumor 3D biologicamente relevantes tenham facilitado os estudos mecanísticos sobre o impacto da reologia da matriz sobre o crescimento do tumor, o problema inverso de alterações de mapeamento do ambiente mecânica induzida por tumores permanece um desafio. Aqui, descrevemos a implementação de rastreamento de partículas microrheology (PTM), em conjunto com modelos 3D de câncer de pâncreas, como parte de uma abordagem robusta e viável para monitorar longitudinalmente mudanças físicas no microambiente tumoral, in situ. Esta metodologia integra um sistema de preparação in vitro modelos 3D incorporados em uma matriz extracelular modelo (ECM) andaime de colágeno tipo I com sondas marcadas com fluorescência distribuída uniformemente para pomedições microrheology dependentes do tempo em todo o espécime ção-e. in vitro tumores são banhados e sondado em condições paralelas usando placas de imagem multipoços. Baseando-se em métodos estabelecidos, vídeos de movimentos sonda traçadores são transformados através da Relação Generalizada Stokes Einstein (GSER) para relatar o módulo de cisalhamento complexo viscoelástico dependente da freqüência, G * (ω). Como essa abordagem é baseada em imagem, caracterização mecânica também é mapeado sobre grandes campos espaciais de luz transmitida simultaneamente para relatar mudanças qualitativas no tamanho e fenótipo tumoral 3D. Os resultados representativos mostrando contrastante resposta mecânica em sub-regiões associadas com a degradação da matriz localizada induzida por invasão, bem como a calibração do sistema, dados de validação são apresentados. Também são apresentados os resultados indesejáveis de erros experimentais comuns e solução de problemas dessas questões. O formato cultura chapeamento 3D de 96 poços implementado neste protocolo é conducive a correlação de medições microrheology com testes de rastreio terapêuticos ou de imagem molecular para ganhar novos insights sobre o impacto de tratamentos ou estímulos bioquímicos no microambiente mecânica.
Fica claro a partir de um crescente corpo de evidências na literatura de que as células cancerosas, como acontece com as células epiteliais de mamíferos não-malignas, são altamente sensíveis às propriedades mecânicas e biofísicos da matriz extracelular circundante (ECM) e outros componentes do microambiente 1-9. Estudos sobre os mecanismos elegantes forneceram insights sobre o papel da rigidez extracelular como um parceiro de sinalização mechanosensitive complexo que regula o comportamento crescimento maligno e morfogênese 2,3,10,11. Este trabalho foi facilitado, em especial, pelo desenvolvimento de 3D em modelos tumorais in vitro que restauram biologicamente arquitectura dos tecidos relevantes e podem ser cultivadas em materiais de andaime com mecânicos ajustáveis e fotografada por microscopia óptica 12-19. No entanto, o outro lado dessa caixa de diálogo mechanoregulatory entre tumor e microambiente, através do qual as células cancerosas, por sua vez alterar a reologia de seu entorno, permanece um tantomais difíceis de estudar. Por exemplo, durante os processos de invasão, as células na periferia do tumor podem sofrer epitelial para mesenquimal (EMT) e aumentar a expressão de metaloproteases de matriz (MMPs), que provocam a degradação do local ECM 20-22, que por sua vez influenciam o comportamento de crescimento de mechanosensitive outras células tumorais proximais. Através de uma variedade de processos bioquímicos, células cancerosas discar continuamente a rigidez local do seu meio ambiente para cima e para baixo para se adequar a diferentes processos em momentos diferentes. A metodologia descrita aqui é motivado pela necessidade de ferramentas analíticas que relatam alterações locais na rigidez e conformidade do ECM durante o crescimento, que podem ser integrados com modelos de tumor 3D e correlatos longitudinalmente com alterações bioquímicas e fenotípicas sem terminar a cultura.
Em busca de uma técnica adequada para implementar neste contexto, microrheology partícula-tracking (PTM) emerge como um forte candidato.Este método, foi pioneira originalmente por Mason e Weitz 23,24, usa o movimento de sondas de rastreamento incorporado em um fluido complexo para relatar o complexo módulo dependente da freqüência viscoelástico de cisalhamento, G * (ω) em escalas de comprimento micro. Esta abordagem geral foi desenvolvido com múltiplas variações adequadas para diferentes aplicações em soft-Matéria Condensada, colóides, biofísica e física polímero 25-31. PTM tem certas vantagens em relação a outros métodos, uma vez que as leituras da viscoelasticidade local são fornecidos pela imagem de vídeo não-destrutiva das sondas marcadoras bioquimicamente inactivos que são incorporados no momento da preparação da cultura e permanecem no lugar durante longos períodos de crescimento. Isto está em contraste com as medições padrão de ouro com um reómetro de cisalhamento oscilatório a granel, o que requer, necessariamente, de terminação da cultura e relata a reologia macroscópica volume da amostra, em vez de medições pontuais dentro do tumor microenvir 3D complexoente. De fato, vários estudos têm ilustrado a utilidade de interpretar as medições dos movimentos da sonda tracer ou em torno de células de câncer ou não câncer de medir deformações associadas com a migração de células 32, estresse mecânico induzido por um esferóide expansão 33, reologia intracelular 34,35, e mapear tensões mecânicas e deformações em tecidos artificiais 36, e relação entre o tamanho dos poros e velocidade invasão 37. Outras técnicas adequadas para microrheology, como a microscopia de força atômica (AFM) pode ser implementado, mas principalmente para os pontos de sondagem na superfície da amostra e também podem representar problemas de esterilidade da cultura que complicam medições longitudinais 38.
Aqui, nós descrevemos um protocolo abrangente que inclua métodos para o crescimento do tumor de esferóides 3D aptos a serem transferidos em ECM com sondas fluorescentes embutidas para vídeo partícula de rastreamento e análise de métodos para o mapeamento confiável espacialmudanças na microrheology mais tempo em cultura. Na presente implementação, modelos de tumores em 3D são cultivadas em formato de vários poços com vistas à incorporação de medidas microrheology com outros ensaios tradicionais (por exemplo, de citotoxicidade), que este formato é propício para. Nesta ilustração representativa de essa metodologia de cultura in vitro esferóides 3D utilizando PANC-1 de células, de uma linha celular de cancro pancreático estabelecido conhecido para formar esferóides 39, mas todas as medições aqui descritas são amplamente aplicável ao estudo de tumores sólidos utilizando uma variedade de linhas celulares adequado para cultura 3D. Como esse método é baseado em imagem latente inerentemente é ideal para co-registro de dados microrheology de alta resolução com grandes campos de luz transmitida de vista que relatam alterações no crescimento celular, migração e fenótipo. A implementação da PTM integrado com microscopia de luz transmitida desta forma assume posicionamento reprodutível dos wh estágio do microscópioich está normalmente disponível em epifluorescência widefield comercial microscópios biológicos motorizados. O protocolo desenvolvido abaixo pode ser implementado com qualquer fluorescência automatizada microscópio biológico a equipados. Este é um método intensivo de dados inerente, o que exige a aquisição de gigabytes de dados de microscopia de vídeo digitais para processamento offline.
No seguinte protocolo, Protocolo 1 refere-se a uma preparação inicial de esferóides de tumor que é descrito aqui, utilizando sobreposição de agarose, mas podem ser substituídos com uma variedade de outros métodos, tais como a gota em suspensão 40, ou cultura rotativa 41 técnicas. Protocolo 2 descreve o processo de incorporação de esferóides de um andaime do colagénio embora alternativamente, in vitro tumores 3D pode ser cultivada por encapsulação ou a incorporação de células ressuspensas em ECM 12,15, em vez de simples esferóides não aderentes pré-formados. Protocolos subsequentes descrevem os procedimentos para obtaining medições microrheology resolvida no tempo através da aquisição e processamento de dados de microscopia de vídeo, respectivamente. O processamento de dados é descrito usando MATLAB, fazendo uso de rotinas de código aberto para a PTM construído em algoritmos originalmente descritos por Crocker e Grier 42, que também foram amplamente desenvolvidos para diferentes plataformas de software (ver http://www.physics.emory.edu/ ~ semanas / IDL /).
1. Esferóides Cultivar tumorais
2. Preparando Spheroids tumorais 3D incorporado em ECM
3. Construir Rede de Pontos de exemplo e ter um vídeo em cada ponto
4. Analisar dados em vídeo para Calcular Propriedades reológicas em cada ponto amostral
Para verificar a validade do G * (ω) medições em posições localizadas dentro de um microambiente do tumor modelo complexo, dois experimentos de validação iniciais foram realizados. Em primeiro lugar, procurou-se validar nossas medidas contra o "padrão ouro" de reometria de cisalhamento oscilatório granel. Foram preparadas amostras idênticas de matriz de colagénio (sem células) a uma concentração de colagénio de 1,0 mg / ml. Estas amostras foram sondadas com um reómetro de massa (TA Instruments AR-G2, utilizando 40 milímetros de geometria de placas paralelas) e pela PTM (utilizando os mesmos parâmetros que ao longo deste protocolo) e as medições resultantes de G '(ω) e G "(ω ) foram comparadas (Figura 2A). Foi encontrada uma excelente concordância entre as duas medições. Em segundo lugar, para estabelecer a capacidade deste protocolo para medir as mudanças pontuais no ECM reologia que preparamos uma matriz de colágeno 1,0 mg / ml e contas traçadores incorporados. A amostra foi então tratada com uminjecção centralizada de 5 ul de dispase (Figura 2B), que digere o colagénio rapidamente. Após incubação durante 3 horas para permitir a digestão de colagénio localizado a ocorrer, os dados de vídeo foi feita a distâncias variáveis do local da injecção, e as medições de G '(ω) e G "(ω) foram realizados em cada caso. A magnitude de G "(ω = 1 rad / s) verificou-se ser maior do que a de G '(ω = 1 rad / s) no local da injecção. As medições efectuadas em distâncias crescentes a partir do local de injecção foram encontrados a ter uma dimensão crescente de L *, bem como uma proporção crescente de G 'a G "(Figura 2C). O tamanho da região altamente degradada de ~ 2 mm de largura consistente com uma distância estimada de difusão de uma proteína com hidrodinâmico raio R H = 1 nm (o peso molecular de dispase é 32,5 kDa) através de colagénio digerido com viscosidade de η = 10 - 3 Pa · s a 37 ° C: . Portanto, os resultados estão de acordo com o abrandamento esperado da matriz perto do local da injeção, e demonstrar a nossa capacidade de fazer medições precisas, localizadas de reologia da matriz.
Os dados representativos de um modelo de tumor 3D preparado de acordo com este protocolo é demonstrado na Figura 3. Dados vídeo foi recolhido em 19 locais fixos no interior da armação de colagénio, formando uma rede grosseira em torno do tumor (Figura 3A). Esta cota de dados foi combinado com valores calculados de G '(ω) para criar um mapa espacial do ECM rigidez (Figura 3B). Este mapa espacial revela claramente uma zona de rigidez aumentada imediatamente proximal ao esferóide tumor no dia 2, o que pode ser correlacionado com a deposição de colagénio IV, laminina um Vd de outros componentes de membrana basal depositados pelo próprio esferóide 17,18,44,45, ou compressão local da ECM por esferóide expansão.
Crescimento do tumor e da matriz eventos de invasão foram monitorados ao longo de 4 dias. Duas regiões foram identificados como tendo ou não evidência de células invasivas na periferia do tumor, ou provas de invadir células pronunciado (Figura 3C). Medições da PTM foram tomadas em regiões 1 e 2, mais de 4 dias. Por volta do dia 4, houve uma diferença significativa no G '(reportada a 1 rad / s) entre as duas regiões (Figura 3D). Medidas em função da frequência de G 'e G "para as regiões 1 e 2 no dia 4 mostram abrandamento significativo da ECM em região 2, a região invasivo (Figura 3E). No dia 4 região duas exposições uma resposta viscoelástica como líquido, evidente pelo dimensionamento viscoso do enredo G "(Figura 3E).
Representante sub-ótimoresultados de erros experimentais e análise comuns são mostrados na Figura 4. Talvez a mais óbvia fonte de erro se situa na estabilidade da configuração em que a microscopia de vídeo é realizada. Se a bancada do laboratório é deslocada ou se há alguma outra fonte externa de vibração, as trajectórias de esferas pode ser artificialmente influenciada, o que resulta num desvio nos dados. Deriva faz com que o MSD para aumentar dramaticamente a alta lag vezes (Figura 4A), o que também faz com que o L '(ω) e G "(ω) valores calculados para aumentar acentuadamente a baixas frequências (Figura 4B). A deriva pode ser reduzido através do uso de um pneumático, ar amortecido bancada do laboratório, e, basta tomar cuidado para não bater a configuração enquanto vídeos estão sendo gravados. Além disso, a deriva pode ser removido durante o pós-processamento utilizando rotinas de software. Estas rotinas são adequados para a remoção de desvio que é de aproximadamente uniforme ao longo de um intervalo de tempo conhecido. Desvio irregular (talvez causadapor esbarrar no palco durante a aquisição de dados) é mais problemático. Por isso, é importante certificar-se de que a amostra permanece isolado mecanicamente a partir do ambiente durante a coleta de dados.
Outra fonte potencial de resultados obscuros vem de interpretação indevida de heterogeneidade da amostra. Embora a capacidade de observar e quantificar a heterogeneidade espacial em uma amostra é de fato um dos pontos fortes notáveis da PTM 26 (e algo que se perde na massa de reologia medições tradicionais), agrupamento indevido de aglomerados de trajetórias de sondas pode levar a conclusões incorretas. Dado que as mudanças na ECM rigidez relatados por esta metodologia são inerentemente heterogêneo, como é o material em si, em qualquer campo de visão, poderia haver algumas sondas traçadores que não são elasticamente confinados por fibras colágenas e, portanto, livres para explorar estocasticamente água maior -cheia poros (Figura 4C). Estas sondas "soltas" exposição mobility aproximadamente consistente com um ambiente puramente viscoso. Como os dados para todas as sondas é a média antes módulos viscoelásticos são calculados, tendo algumas sondas soltos em uma determinada região de amostragem (campo de visão) pode produzir freqüência parcelas dependentes de G * (ω) que variam descontroladamente (Figura 4D).
Calibração de software inadequada pode levar a erros durante a coleta e análise de vídeo. Durante a recolha de dados de vídeo, é importante observar o histograma de intensidade e ajustar o tempo de exposição para obter a maior gama dinâmica possível, assegurando que a imagem não fique saturada. A análise calcula posições centrais refinado para cada sonda tracer, integrando o valor da intensidade de cada pixel. Se a imagem está saturada, essa integração vai ser menos precisas devido a uma seção de 'flat top "do perfil de intensidade. Além disso, a calibração achado característica é um passo extremamente crítico para garantir resultados precisos. A escolha adequada dos parâmetros de seleção é primordial. Este processo tem sido descrito extensivamente por Crocker e Grier 42, Savin e Doyle 43, e outros.

Figura 1. Esquemática do procedimento experimental. (A) de tumor esferóides são formados em camas de agarose, e em seguida transferidas para uma matriz em 3D contendo sondas marcadoras incorporados. (B) dados de vídeo é feita em vários pontos no interior do poço da amostra, tanto adjacente ao e longe do esferóide tumor. (C) O movimento estocástico das sondas em cada um de vídeo são analisadas a fim de determinar as propriedades reológicas do local da matriz em cada ponto de amostra. Esses dados são compilados em um mapeamento espacial de ECM rigidez em todo o bem.ad/51302/51302fig1highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Verificação de medições. (A) Os componentes de L * (ω) são mostradas aqui. Os valores calculados de G '(ω) e G "(ω) utilizando PTM são muito semelhantes aos obtidos através de um reómetro de grandes quantidades. (B) 5 ul de dispase foi adicionada ao centro de um poço com um raio r = 8,5 mm contendo 1,0 mg / mL de colagénio para medir as variações espaciais na L * (ω). (C) Os valores calculados de G '(ω) e G "(ω) no local da injeção dispase, 1,5 mm do local, e 3 mm a partir do site. Além disso, uma medição de controlo foi realizada num poço contendo o mesmo gel de colagénio but sem tratamento dispase. Perto do local de tratamento com G '(ω) é menor do que L "(ω). Como o gel é amostrado mais longe do local de tratamento os valores de G '(ω) se tornar maior do que L "(ω), e a magnitude de L * (ω) aumenta. As medidas foram realizadas 2,5 horas após a injeção dispase. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Quantificar mudanças na reologia ECM concomitante com o início da invasão matriz local. (A) O poço contendo uma PANC-1 esferóide 3D é sondado em vários locais em todo o ECM colágeno em torno do tumor. (B) Coordenar os dados são combinados com calculated L '(ω) para cada local para produzir um mapa de ECM rigidez espacial. (C) O crescimento do tumor e comportamento invasão foram monitorados ao longo de 4 dias. Duas regiões foram identificados como tendo ou nenhuma interação com células invasoras (região 1, azul asterisco) ou interação forte com invadindo células ramificadas que espontaneamente a partir da grande massa principal multicelular esferóide (região 2, asterisco vermelho). Medições (D) reológicas foram realizadas em regiões 1 e 2, mais de 4 dias. No quarto dia, houve uma diferença significativa no G '(reportada a 1 rad / s) entre as duas regiões. (E) Freqüência medidas dependentes de G '(ω) e G "(ω) para as regiões 1 e 2 no dia 4 mostram abrandamento significativo do ECM na região 2, precisamente correlacionada com a presença de populações invasoras. G '(ω) e G "valores (ω), calculados usando um ajuste da lei de potência de dados MSD são mostrados como cheias e vazia res de pontopectivamente. No dia 4, região duas exposições uma resposta viscoelástica como líquido, como é evidente pelo dimensionamento viscoso do enredo G "(ω) ea ausência da linha de ajuste para G '(ω). Clique aqui para ver uma versão maior esta figura.

Figura 4. Dados de resultados sub-óptimos, devido à deriva e interpretação incorreta de heterogeneidade ECM. (A) A MSD de uma sonda tracer confinado em um material complexo segue potência lei de escala <Δr 2 (τ)> ~ τ α (0 ≤ α ≤ 1). Assim, os valores de MSD deve abordar um platô em longos tempos de atraso. Deriva na amostra pode eliminar artificialmente esse comportamento, leading para escalada valores MSD às vezes longas lag. (B) O intervalo de tempo longo deriva no MSD fará com que os valores de G '(ω) e G "(ω) a tornar-se significativamente errónea a frequências curtas. A deriva pode ser eliminado ou reduzido, quer por garantir que a amostra é isolado mecanicamente durante a coleta de dados ou usando rotinas de software para remover deriva durante a análise. (C) Mesmo em um pequeno campo de visão, duas variedades distintas de trajetórias de sondas podem estar presentes. Neste exemplo, a maioria das sondas estão confinados na matriz, mas algumas são 'solta' - as suas trajectórias são muito menos restrito. (D) A tentativa de interpretar os dados MSD tanto constrangido e sondas sem restrições, ao mesmo tempo, sem interpretação adequada da heterogeneidade da amostra vai confundir medidas de módulos viscoelásticos. favor click aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
-Tracking microrheology partícula pode ser usada para quantificar de forma não destrutiva e espacialmente mapear as alterações nas propriedades mecânicas da matriz extracelular em modelos de tumor em 3D.
Agradecemos a partilha de código aberto do MATLAB código de rastreamento de partículas fornecido por Maria Kilfoil ( http://people.umass.edu/kilfoil/ ), juntamente com o código anterior IDL e extensa documentação fornecida por John C. Crocker e Eric R. Weeks. Este trabalho foi possível graças ao financiamento do Instituto Nacional do Câncer (NCI / NIH), K99CA155045 e R00CA155045 (PI: JPC).
| Colágeno bovino tipo 1 | BD Biosciences, San Jose, CA | 354231 | |
| PANC-1 | American Type Cell Culture, Manassas, VA | CRL1469 | ou outro tipo de célula apropriado |
| Microesferas fluorescentes | Life Technologies, Carlsbad, CA | 906906 | |
| Matrigel | BD Biosciences, Bedford, MA | 354230 | |
| Agarose | Fisher Biorreagentes, Waltham, MA | C12H18O9 | |
| NaOH | Fisher Bioreagents, Waltham, MA | NC0480985 | |
| placas de imagem de 96 poços | Corning Inc., Corning, NY | 3904 | |
| DMEM | Hyclone, Waltham, MA | SH30243.01 | ou meios de cultura de células |
| apropriados Microscópio Zeiss AxioObsever | Zeiss, Oberkochen, Alemanha | inclui câmera de alta velocidade e software de imagem | |
| Software MATLAB | The Mathworks, Natick, MA |