Summary
Evalueret i syngeneic immunocompetent værter, kræft stamcelle (CSC) baseret dendritisk celle (DC) vaccine demonstreret betydeligt højere antitumor immunitet end traditionelle DC vacciner pulserede med heterogene bulk tumorceller.
Abstract
Vi identificerede kræft stamceller (CSC) beriget populationer fra murine melanom D5 syngeneic til C57BL/ 6 mus og squamous kræft SCC7 syngeneic til C3H mus ved hjælp af ALDEFLUOR / ALDH som en markør, og testet deres immunogenicitet ved hjælp af celle lysate som en kilde til antigener til puls dendritiske celler (DC). DCS pulserede med ALDHhøj CSC lysater induceret betydeligt højere beskyttende antitumor immunitet end DCs pulserede med lysater af usorterede hele tumor celle lysater i begge modeller og i en lunge metastase indstilling og en s.c. tumor vækst indstilling, henholdsvis. Dette fænomen skyldtes CSC vaccine-induceret humoral samt cellulære anti-CSC svar. Især, miltcytter isoleret fra værten udsat for CSC-DC vaccine produceret betydeligt højere mængde IFNγ og GM-CSF end miltcytter isoleret fra værten udsat for usorteret tumor celle lysat pulserende-DC vaccine. Disse resultater understøtter bestræbelserne på at udvikle en autolog CSC-baseret terapeutisk vaccine til klinisk brug i en adjuvans indstilling.
Introduction
Kræft stamceller er relativt resistente over for konventionel kemoterapi ogstrålebehandling 1,2. På den anden side, denne population af celler kan være de celler, der er ansvarlige for tilbagefald og progression af kræft efter traditionelle kræftbehandlinger1-4. På grund af manglende udtryk for differentierede tumorantigener på kræftstamceller kan kræftstamceller undslippe nuværende immunologiske indgreb i behandling for kræft, som for det meste er designet til at målrette antigenet på de differentierede tumorceller. Derfor, udvikling af nye strategier specifikt rettet mod og ødelægge kræft stamceller kan holde løfter om at øge den terapeutiske effekt af den nuværende kræftbehandling. Til dette formål isolerede vi kræft stamceller (CSC)-berigede populationer fra to dyretumorer (melanom D5 og squamous cellekræft SCC7), og brugte dem som en antigen kilde til puls antigen præsentere celler (dendritiske celler, DC) til at forberede CSC-TPDC vaccine. Derefter vurderede vi antitumorimmuniteten induceret af CSC-TPDC-vaccinen hos de syngeneiske immunkonkurrenceværter, henholdsvis B6-mus og C3H-mus. CSC-TPDC-induceret antitumor effekt blev sammenlignet med den traditionelle DC vaccine pulserede med lysat fra usorterede heterogene tumorceller (H-TPDC), som tidligere har været brugt af vores gruppe5,6, samt af andre efterforskere7 både i prækliniske undersøgelser og i kliniske forsøg.
Protocol
1. ALDEFLUOR farvning
- Celleprøve forberedelse: Forbered enkelt celle suspension af tumorceller, enten fra dyrkede tumorceller eller fra friskhøstede tumorprøver. Tæl cellerne, og juster celleophænget til en koncentration på 1 x10 6 celler/ml i ALDEFLUOR Assay Buffer.
- Mærke fire 12 mm x 75 mm polystyren reagensglas som kontrolrør som kontrolrør som følger: #1: Ikke-rodfæstet, #2: ALDEFLUOR, #3: ALDEFLUOR plus DEAB og #4: 7AAD.
- For disse kontrol rør, sted 1ml celle suspension i #1 og #4, men 2 ml i rør #2. Der tilsættes 5 μl DEAB (ALDH-hæmmer) i rør #3 og på isen. Derefter tilsættes 10 μl aktiveret ALDEFLUOR-substrat til rør #2, blandes og overføres straks 1 ml af blandingen til rør #3.
- Samtidig tilsættes 2 μl aktivt ALDEFLUOR-substrat pr. million celler til resten af cellerne (prøverør) også ved 1 x 106 celler/ml i ALDEFLUOR Assay Buffer.
- Der inkuberes både de 4 kontrolrør og prøverørene i 30 minutter i vandbad på 37 °C.
- Efter inkubation tilsættes 5 μl 7AAD i kontrolrøret #4 og 1 μl 7AAD 1 x 106 celler til prøveglasset. 10 min. inkuberes ved 4 °C.
- Centrifuge alle rør i 5 min ved 250 x g og fjern supernatant.
- Genbrugte celler i ALDEFLUOR Assay Buffer.
- Udfør flowcytometrybaseret sortering.
- Indstil sorteringsportene ved hjælp af ALDEFLUOR-farvede celler, der behandles med DEAB som negativ kontrol, og propidium-jod (PI) 7AAD-farvede celler til levedygtighedskontrol. Baseret på disse kontroller blev der etableret en port for at skelne mellem ALDEFLUOR+/ALDH-cellernehøj, D5 og SCC7. Disse porte vil derefter blive brugt til at sortere alle de prøveceller, der er forberedt ovenfor for ALDEFLUOR+/ALDH-cellernemed høj D5 og SCC7.
2. Forberedelse af Kræft Stamcelle Lysate-puls Dendritic Cell (CSC-TPDC) Vaccine
- Aflive mus (syngeneic B6 og C3H, henholdsvis) ved hjælp af CO2 og isolere lårben og skinneben knogler.
- Sæt knoglerne i 75% ethanol i 1 minut ved stuetemperatur. Vask derefter knoglerne ved hjælp af HBSS.
- Skær hovedet af knoglerne og brug en 21 G nål og 10 ml sprøjte til at skubbe celler ind i en skål.
- Aspirér og blæse cellerne ved hjælp af sprøjten for at gøre en enkelt celle suspension.
- Efter centrifugering i 1.500 omdrejninger i minuttet i 5 min, kassér supernatanten. Derefter tilsættes 5 ml RBC lysis buffer for at lysis RBC i 1 min i 37 °C vandbad.
- Celletallet tælles, og celleaffjedringen justeres til en koncentration på 1 million celler/ml i hele mellemmediet (CM), der indeholder 10 ng/ml GM-CSF og 10 ng/ml IL-4.
- Kultur cellerne og kompensere CM plus IL-4 og GM-CSF 3 dage senere.
- På den5. dag høstes de umodne dendritiske celler (DCs) og DC-isolationsmediet, der indeholder 4,2 ml opløsning C plus 1 ml OptiPrep-tæthedsgradientmedium.
- Ophæng cellepillerne i 5 ml CM. Tilsæt langsomt celleaffjedringen på isolationsmediet. Centrifuge ved 2.000 omdrejninger i minuttet ved stuetemperatur.
- Saml NIC'erne mellem CM og isolationsmediet. Celletallet tælles, og celleophænget justeres til en koncentration på 1 million celler/ml i dyrkningsmedium indeholdende 10 ng/ml GM-CSF og 10 ng/ml IL-4.
- Forbered tumor lysater ved at suspendere ALDHhøje eller usorterede D5 eller SCC7 celler i kultur medium og underlagt hurtig fryse-optøning eksponeringer fire gange efterfulgt af spin på ∼ 100 x g i 5 minutter for at indsamle membranen del af lysater.
- For at forberede CSC-TPDC, puls DCs med lysate af autologe ALDHhøje celler. For at forberede H-TPDC, puls DCs med usorteret heterogen tumor celle lysate. Forholdet mellem DC og tumorcelle lysat er det samme.
3. Vaccination og evaluering af effekten
- Vaccinere normale B6 mus henholdsvis med 2.500 D5 CSC-TPDC eller D5 H-TPDC tumorceller subkutan (s.c . Vaccinere normale C3H dyr s.c. med 5.000 SCC7 CSC-TPDC eller SCC7 H-TPDC tumorceller, hhv.
- Efter vaccination, udfordre B6 mus med heterogene D5 tumorceller i.v. Aflive musene ved hjælp af CO2 20 dage senere. Høst lungerne og opregn lungemetastaser.
- I SCC7 model, udfordre C3H mus med usorterede SCC7 tumorceller s.c på den modsatte side af DC vaccinen. Overvåg tumorstørrelsen.
- I slutningen af forsøgene aflive B6 og C3H mus ved hjælp af CO2. På dag 34 efter første vaccine aflives mus med CO2, og samtidig indsamle milten i hver gruppe med en aseptisk procedure.
- Aktiver milt T- og/eller B-celler med immobiliserede anti-CD3 plus anti-CD28-mAbs i CM, der indeholder hrIL-2 eller LPS plus anti-CD40 (FGK45) mAb-ascites.
- Efter aktivering, indsamle supernatants og brug for ELISA assay.
- Til ELISA-analyse, frakkeplader med antistoffer mod IFNγ, GM-CSF og IgG ved 4 °C O/N.
- Efter påføring af blokeringsbuffer tilsættes prøver og standarder og inkuberes ved stuetemperatur.
- Vask pladen og tilsæt HRP-detektionsantistof og TMB-substrat til inkubation.
- Absorbansen måles på en ELISA-pladelæser ved 450 nm inden for 30 minutter efter standsning af reaktionen.
Representative Results
ALDEFLUOR/ALDH er blevet brugt som en enkelt markør til at isolere stamceller i flere maligniteter8-11. Vi identificerede kræft stamcelleberigede populationer i to tumormodeller D5 og SCC7 ved at bruge ALDEFLUOR som en markør. Vi opdagede ALDEFLUOR + celler i murine melanom B16-D5 og squamous cellekræft SCC7. Vi fandt, at ALDEFLUOR + celler bidrager med ca. 0,5% og 5,2% i dyrkede D5- og SCC7-tumorcellelinjer henholdsvis (figur 1). Frisk høstede tumorceller fra etablerede tumorer er blevet analyseret for at bekræfte eksistensen af ALDEFLUOR + celler. Som det også fremgår af figur 1, var der henholdsvis 2,5% og 4,2% af ALDEFLUOR+ cellerne fra in vivo etablerede D5- og SCC7-tumorer. Tumorigeniciteten og selvfornyelseskapaciteten hos disse sorterede D5- og SCC7 ALDEFLUOR+/ALDH-høje populationer blev evalueret i den syngeneiske immunkonkurrencevært, henholdsvis C57BL/6- og C3H-mus8.
Vi har brugt heterogene usorterede tumorcelle lysat til puls DC (H-TPDC) både i dyreforsøg og i kliniske forsøg5,6. For at undersøge immunogeniciteten af CSC'er isolerede vi ALDHhøj CSC og pulserende DC med lysatet af CSCcs til genereret CSC-TPDC (Figur 2) og brugte H-TPDC som en konventionel kræftvaccinekontrol til at teste, om CSC-TPDC har nogen gavnlig effekt til forebyggelse af tumorvækst.
Vi vurderede CSC'ernes immunogenicitet ved at undersøge beskyttende antitumorimmunitet fremkaldt af CSC-TPDC. I D5-modellen blev naive immunkonkurrencedygtige mus vaccineret s.c med CSC-TPDC eller H-TPDC (i samme lysat: DC-forhold). Kontrolgrupperne modtog saltvand (PBS). En uge efter den sidste vaccine blev musene udfordret med usorterede D5-tumorceller intravenøst (i.v.), og lungerne blev høstet 3 uger senere for at opregne lungemetastaser. Som vist i tabel 1udviklede mus, der blev behandlet med H-TPDC, mindre lungemetastaser sammenlignet med PBS-gruppen. Det er vigtigt, at mus behandlet med CSC-TPDC havde betydeligt færre lungemetastaser end H-TPDC-vaccinegruppen i begge udførte forsøg. I SCC7 model, normale C3H dyr blev vaccineret s.c med SCC7 CSC-TPDC eller H-TPDC henholdsvis på højre flanke, efterfulgt af udfordrende med usorterede SCC7 tumorceller s.c ind i venstre flanke. Sammenlignet med PBS gruppe, H-TPDC induceret beskedne anti-tumor immunitet mod tumor vækst. Der var imidlertid en betydelig hæmning af tumorvækst hos mus, der blev behandlet med CSC-TPDC sammenlignet med både kontrolgruppen og H-TPDC-gruppen (p<0,05, Figur 3). Disse resultater tyder på, at CSC'er kan bruges som en mere effektiv antigen kilde til at indlæse DC'er end traditionelle usorterede tumorceller i at fremkalde beskyttende immunitet mod udfordringen med tumorceller.
For yderligere at forstå de mekanismer, der ligger til grund for den observerede CSC-inducerede beskyttende antitumorimmunitet, høstede vi milterne fra de dyr, der blev udsat for DC-vaccinationer ved afslutningen af forsøgene. Miltcellerne blev derefter aktiveret af anti-CD3/CD28/IL-2 eller anti-CD3/CD28/IL-2 + LPS/anti-CD40. Derefter blev kultur supernatants indsamlet for at opdage udtrykket af cytokiner og antistof. Miltcellerne fra de dyr, der var vaccineret med D5 CSC-TPDC eller SCC7 CSC-TPDC (Figur 4), havde betydeligt højere produktioner af IFNγ og GM-CSF. Desuden var der betydeligt (p<0,05) højere IgG-produktion af LPS/anti-CD40 aktiverede miltceller indsamlet fra de dyr, der var vaccineret med D5 CSC-TPDC eller SCC7 CSC-TPDC sammenlignet med D5 H-TPDC eller SCC7 H-TPDC. Det blev konstateret, at disse antistoffer binder sig til henholdsvis D5 og SCC7 CSC, og en sådan binding kan resultere i CSC lysis i nærværelse af supplement8.
Figur 1. ALDHFLUOR + / ALDHhøje populationer blev påvist i dyrkede samt nyligt høstet frisk murin D5 melanom og SCC7 squamous celle tumorer. Tumorceller behandlet med 50 mmol / L DEAB, en bestemt ALDH-hæmmer, blev brugt som den negative kontrol.
Klik her for at se større billede.
Figur 2. Generation af dendritiske cellebaserede kræft stamcellevacciner. Til fremstilling af CSC-TPDC og H-TPDC blev knoglemarvsbaserede dendritiske celler pulseret med henholdsvis ALDHhøje eller usorterede tumorcelle lysater.
Klik her for at se større billede.
Figur 3. CSC lysat pulserende DC (CSC-TPDC) vaccine kunne fremkalde mere effektiv beskyttende antitumor immunitet i s.c. SCC7 tumor model. Klik her for at se større billede.
Figur 4. Mere potente systemiske cellulære reaktioner i immunkompetente vært vaccineret med CSC-TPDC. Splenocytter blev høstet fra de dyr, der blev udsat for H-TPDC- eller CSC-TPDC-vaccination, og blev aktiveret som angivet. Dyrknings-supernatanterne blev derefter indsamlet til cytokindetektion ved hjælp af ELISA.
Klik her for at se større billede.
Discussion
De immunkompromitterede værter, såsom SCID-mus, udelukker immunologiske vurderinger af CSC'er på grund af manglende adaptiv immunitet hos værterne. I denne undersøgelse vurderede vi immunogeniciteten af CSC'er hos immunkompetente værter, hvilket i højere grad kunne efterligne patientindstillinger. Beriget CSC'er er immunogene og kan fremkalde mere effektiv tumor beskyttende immunitet, når deres lysater er indlæst til DC'er som en vaccine sammenlignet med ikke-valgte tumor celle lysat-pulserende DCs. Mekanisk blev beskyttelsen opnået ved selektiv induktion af CSC-reaktive antistoffer og T-celler8 samt produktion af type 1 cytokin, f.eks.
De fleste af de nuværende immunterapier, herunder dendritiske cellebaserede vacciner og adoptiv-T-celleoverførsel, er designet til at målrette tumor-differentierede antigener. CSC'er, som måske ikke udtrykker disse differentierede antigener, kan derfor undslippe disse immunologiske målretninger. I modsætning hertil CSC vaccine designet til specifikt at målrette kræft stamceller kan ødelægge denne særlige population af kræftceller, og dermed forbedre den terapeutiske effekt af vaccinen ved at forebygge tumor tilbagefald og metastaser.
I både dyrkede tumorceller og friskhøstede tumorer identificerede vi CSC-beriget befolkning ved flowcytometri baseret på høj aldehyd dehydrogenaseaktivitet. Sådanne ALDHhøje celler kunne isoleres ved flow sortering, der skal anvendes som en antigen kilde til puls DC til at generere CSC-TPC'er. Sammenligning ved hjælp af ALDHhøje celler isoleret fra dyrkede tumorceller vs fra frisk høstede tumorer viste ingen signifikant forskel i sigt for induktion af anti-CSC immunitet8. Disse resultater afslørede potentialet til at bruge CSC isoleret enten fra dyrkede tumorceller eller fra friskhøstede tumorer til klinisk anvendelse.
For at være klinisk relevant skal en vaccine undersøges i terapeutiske omgivelser. Disse eksperimenter udføres nu i vores laboratorium.
Disclosures
STEMCELL Technologies har understøttet open access-publikationsgebyrer.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af The Will og Jeanne Caldwell Begavet Research Fund ved University of Michigan Comprehensive Cancer Center og dels af NIH tilskud CA82529 og Gillson Longenbaugh Foundation.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ALDHEFLOUR KIT | Stemcell Technologies | 1700 | |
| Murine IL-4 | Pepro Tech | 214-14 | |
| Murine GM-CSF | Pepro Tech | 315-03 | |
| Mouse GM-CSF ELISA KIT | BD Biosciences | 555167 | |
| OptiPrep Density Gradient Medium | Sigma Aldrich | D1556 | |
| BD OptEIA TMB Substrated Reagent Set | BD Biosciences | 555214 | |
| Equipment | |||
| BD FACS Aria Cell Sorter | BD Biosciences | 336834 | |
| Kcjunior | Bio-Tek Instruments | 176058 |
References
- Shafee, N., Smith, C. R., et al. Cancer stem cells contribute to cisplatin resistance in Brca1/p53-mediated mouse mammary tumors. Cancer Res. 68, 3243-3250 (2008).
- Nandi, S., Ulasov, I. V., et al. Low-dose radiation enhances survivin-mediated virotherapy against malignant glioma stem cells. Cancer Res. 68, 5778-5784 (2008).
- Dallas, N. A., Xia, L., et al. Chemoresistant colorectal cancer cells, the cancer stem cell phenotype, and increased sensitivity to insulin-like growth factor-I receptor inhibition. Cancer Res. 69, 1951-1957 (2009).
- Yamauchi, K., Yang, M., et al. Induction of cancer metastasis by cyclophosphamide pretreatment of host mice: an opposite effect of chemotherapy. Cancer Res. 68, 516-520 (2008).
- Chang, A. E., Redman, B. G., et al. A phase I trial of tumor lysate-pulsed dendritic cells in the treatment of advanced cancer. Clin. Cancer Res. 8, 1021-1032 (2002).
- Ito, F., Li, Q., Shreiner, A. B., et al. Anti-CD137 monoclonal antibody administration augments the antitumor efficacy of dendritic cell-based vaccines. Cancer Res. 64, 8411-8419 (2004).
- Kirk, C. J., Hartigan-O'Connor, D., et al. T cell-dependent antitumor immunity mediated by secondary lymphoid tissue chemokine: augmentation of dendritic cell-based immunotherapy. Cancer Res. 61, 2062-2070 (2001).
- Ning, N., Pan, Q., et al. Cancer stem cell vaccination confers significant antitumor immunity. Cancer Res. 72, 1853-1864 (2012).
- Ginestier, C., Liu, S., et al. CXCR1 blockade selectively targets human breast cancer stem cells in vitro and in xenografts. J. Clin. Invest. 120, 485-497 (2010).
- Carpentino, J. E., Hynes, M. J., et al. Aldehyde dehydrogenase-expressing colon stem cells contribute to tumorigenesis in the transition from colitis to cancer. Cancer Res. 69, 8208-8215 (2009).
- Charafe-Jauffret, E., Ginestier, C., et al. Breast cancer cell lines contain functional cancer stem cells with metastatic capacity and a distinct molecular signature. Cancer Res. 69, 1302-1313 (2009).
