Summary
Utvärderas i syngeneic immunkompetenta värdar, cancer stamcell (CSC) baserade dendritic cell (DC) vaccin visat betydligt högre antitumör immunitet än traditionella DC vacciner pulsed med heterogena bulk tumör celler.
Abstract
Vi identifierade cancer stamcell (CSC)-berikade populationer från murin melanom D5 syngeneic till C57BL/6 möss och skivepitelcancer SCC7 syngeneic till C3H möss med ALDEFLUOR/ALDH som en markör, och testade deras immunogenicitet med cell lysat som en källa till antigener för att puls dendritiska celler (DCs). DCs pulserade med ALDHhög CSC lysates inducerad betydligt högre skyddande antitumör immunitet än DCs pulserade med lysater av osorterade hela tumör cell lysates i båda modellerna och i en lung metastasering inställning och en s.c. tumör tillväxt inställning, respektive. Detta fenomen berodde på CSC vaccin-inducerad humoral samt cellulära anti-CSC svar. I synnerhet splenocyter isolerade från den värd som utsätts för CSC-DC vaccin producerade betydligt högre mängd IFNγ och GM-CSF än splenocyter isolerade från värden utsätts för osorterade tumör cell lysat pulsed-DC vaccin. Dessa resultat stöder ansträngningarna att utveckla ett autologt CSC-baserat terapeutiskt vaccin för klinisk användning i en adjuvant inställning.
Introduction
Cancerstamceller är relativt resistenta mot konventionell kemoterapi och strålbehandling1,2. Å andra sidan kan denna population av celler vara de celler som är ansvariga för återfall och progression av cancer efter traditionella cancerbehandlingar1-4. På grund av bristen på uttryck för differentierade tumörantigener på cancerstamceller kan cancerstamceller undkomma nuvarande immunologiska interventioner av terapi för cancer, som mestadels är utformade för att rikta antigenerna på de differentierade tumörcellerna. Därför kan utvecklingen av nya strategier som specifikt riktar sig mot och förstör cancerstamcellerna ge löften om att öka den terapeutiska effekten av nuvarande cancerbehandling. För detta ändamål isolerade vi cancerstamcellspopulationer (CSC)-berikade populationer från två djurtumörer (melanom D5 och skivepitelcancer SCC7), och använde dem som en antigenkälla för att pulsera antigen som presenterar celler (dendritiska celler, DC) för att förbereda CSC-TPDC-vaccinet. Vi utvärderade sedan antitumör immunitet framkallas av CSC-TPDC vaccin i syngeneic immunkompetenta värdar, B6 möss respektive C3H möss. CSC-TPDC-inducerad antitumöreffekt jämfördes med det traditionella DC- vaccinet pulserat med lysat från osorterade heterogena tumörceller (H-TPDC), som tidigare har använts av vårgrupp 5, 6, liksom av andraprövare 7 både i prekliniska studier och i kliniska prövningar.
Protocol
1. ALDEFLUOR Färgning
- Cellprovberedning: Förbereda encellig suspension av tumörceller, antingen från odlade tumörceller eller från nyskördade tumörprover. Räkna cellerna och justera cellupphängningen till en koncentration av 1 x 106 celler/ml i ALDEFLUOR-analysbufferten.
- Etikett fyra 12 mm x 75 mm polystyren provrör som kontrollrör enligt följande: #1: Osedd, #2: ALDEFLUOR, #3: ALDEFLUOR plus DEAB och #4: 7AAD.
- För dessa kontrollrör, placera 1 ml cellfjädring i #1 och #4, men 2 ml i #2. Tillsätt 5 μl DEAB (ALDH-hämmare) i rör #3 och håll på is. Tillsätt sedan 10 μl aktiverat ALDEFLUOR-substrat till rör #2, blanda och överför omedelbart 1 ml av blandningen till #3.
- Tillsätt samtidigt 2 μl aktiverat ALDEFLUOR-substrat per miljon celler till resten av cellerna (provrör) även vid 1 x 106 celler/ml i ALDEFLUOR-analysbuffert.
- Inkubera både de 4 kontrollrören och provrören i 30 minuter i 37 °C vattenbad.
- Tillsätt 5 μl 7AAD i kontrollröret #4 och 1 μl 7AAD 1 x 106 celler i provröret efter inkubation. Inkubera 10 min vid 4 °C.
- Centrifugera alla rör i 5 min vid 250 x g och ta bort supernatant.
- Återanvänd celler i ALDEFLUOR-analysbuffert.
- Utför flödescytometribaserad sortering.
- Ställ in sorteringsportarna med ALDEFLUOR-färgade celler behandlade med DEAB som negativ kontroll och propidiumidididen (PI) 7AAD-färgade celler för livskraftskontroll. Baserat på dessa kontroller upprättades en grind för att skilja ALDEFLUOR +/ALDHhög,D5 och SCC7 celler. Dessa portar används sedan för att sortera alla provceller som är beredda ovan för ALDEFLUOR+/ALDH-cellernahigh D5 och SCC7.
2. Beredning av cancerstamcellslyatpuls dendritiskt cellvaccin (CSC-TPDC)
- Avliva möss (syngeneiska B6 respektive C3H) med CO2 och isolera lårben och skenben.
- Lägg benen i 75% etanol i 1 min vid rumstemperatur. Tvätta sedan benen med HBSS.
- Skär huvudet av ben och använd en 21 G nål och 10 ml spruta för att trycka celler i en skål.
- Aspirera och blås cellerna med sprutan för att göra encellsfjädringen.
- Efter centrifugation i 1 500 varv/min i 5 min kasserar du supernaten. Tillsätt sedan 5 ml RBC lysbuffert för att lysa RBC i 1 min i 37 °C vattenbad.
- Räkna cellnummer och justera cellfjädringen till en koncentration av 1 miljon celler/ml i fullständigt medium (CM) som innehåller 10 ng/ml GM-CSF och 10 ng/ml IL-4.
- Odla cellerna och kompensera CM plus IL-4 och GM-CSF 3 dagar senare.
- Vid den5: e dagen skörda de omogna dendritiska cellerna (DCs) och förbered DC-isoleringsmediet som innehåller 4,2 ml lösning C plus 1 ml OptiPrep-densitetsgradientmedium.
- Suspendera cellpelletsen i 5 ml CM. Tillsätt cellfjädringen långsamt på isoleringsmediet. Centrifugera vid 2 000 varv/min vid rumstemperatur.
- Samla in DCs mellan CM och isoleringsmediet. Räkna cellnummer och justera cellfjädringen till en koncentration av 1 miljon celler/ml i odlingsmedium som innehåller 10 ng/ml GM-CSF och 10 ng/ml IL-4.
- Förbered tumörlysen genom att suspendera ALDH-höga eller osorterade D5- eller SCC7-celler i odlingsmedium och utsättas för snabb frys-tina exponering fyra gånger följt av spinn vid ∼100 x g i 5 minuter för att samla membrandelen av lysaterna.
- För att förbereda CSC-TPDC, puls DCs med lysat av autologa ALDHhöga celler. För att förbereda H-TPDC, puls DCs med osorterade heterogena tumör cell lysate. Förhållandet mellan DC och tumörcellslyat är detsamma.
3. Vaccination och utvärdering av effekten
- Vaccinera normala B6-möss med 2 500 D5 CSC-TPDC respektive D5 H-TPDC tumörceller subkutant (s.c.). Vaccinera normala C3H djur s.c. med 5,000 SCC7 CSC-TPDC eller SCC7 H-TPDC tumörceller, respektive.
- Efter vaccination, utmana B6 möss med de heterogena D5 tumörcellerna dvs Euthanize mössen med CO2 20 dagar senare. Skörda lungorna och räkna upp lungmetastaser.
- I SCC7-modellen, utmana C3H-mössen med osorterade SCC7 tumörceller s.c på motsatt sida av DC-vaccinet. Övervaka tumörstorleken.
- I slutet av experimenten avlivar B6- och C3H-mössen med CO2. På dag 34 efter första vaccinet avlivar möss med CO2, och samlar samtidigt mjälten i varje grupp med ett aseptiskt förfarande.
- Aktivera mjälte T- och/eller B-celler med immobiliserad anti-CD3 plus anti-CD28 mAbs i CM som innehåller hrIL-2 eller LPS plus anti-CD40 (FGK45) mAb ascites.
- Efter aktivering, samla supernatants och använd för ELISA-analys.
- För ELISA-analys, täckplattor med antikroppar för IFNγ, GM-CSF och IgG vid 4 °C O/N.
- Efter applicering av blockeringsbuffert, lägg till prover och standarder och inkubera vid rumstemperatur.
- Tvätta plattan och tillsätt HRP-detektionsantikropp och TMB-substrat för inkubation.
- Mät absorbansen på en ELISA-plåtläsare vid 450 nm inom 30 minuter efter att reaktionen har stoppats.
Representative Results
ALDEFLUOR/ALDH har använts som en enda markör för att isolera stamceller i flera maligniteter8-11. Vi identifierade cancer stamcell-berikade populationer i två tumör modeller D5 och SCC7 med hjälp av ALDEFLUOR som en markör. Vi upptäckte ALDEFLUOR + celler i murin melanom B16-D5 och skivepitelcancer SCC7. Vi fann att ALDEFLUOR + celler bidrar med cirka 0,5% respektive 5,2% i odlade D5 och SCC7 tumör cellinjer, respektive (Figur 1). Nyligen skördade tumörceller från etablerade tumörer har analyserats för att bekräfta förekomsten av ALDEFLUOR + celler. Som också visas i figur 1fanns det 2,5% respektive 4,2% av ALDEFLUOR + -cellerna från in vivo etablerade D5- respektive SCC7-tumörer. Tumorigenicity och self-renewal kapacitet av dessa sorterade D5 och SCC7 ALDEFLUOR+/ALDHhöga populationer utvärderades i den syngenetiska immunkompetenta värden, C57BL/6 och C3H möss,respektive 8.
Vi har använt heterogena osorterade tumör cell lysat för att puls DCs (H-TPDC) både i djurstudier och i kliniska prövningar5,6. För att undersöka CSC: s immunogenicitet isolerade vi ALDHhög CSC och pulserad DC med lysat av CSC till genererad CSC-TPDC (Figur 2) och använde H-TPDC som en konventionell cancervaccinkontroll för att testa om CSC-TPDC har någon fördelaktig effekt för att förhindra tumörtillväxt.
Vi utvärderade immunogenicitet av CSCs genom att undersöka skyddande antitumör immunitet framkallas av CSC-TPDC. I D5-modellen vaccinerades naiva immunkompetenta möss s.c med CSC-TPDC eller H-TPDC (vid samma lysat: DC-förhållande). Kontrollgrupper tog emot saltlösning (PBS). En vecka efter det sista vaccinet utmanades mössen med osorterade D5 tumörceller intravenöst (dvs.) och lungorna skördades 3 veckor senare för att räkna upp lungmetastaser. Som visas i tabell 1, jämfört med PBS-gruppen, utvecklade möss som behandlades med H-TPDC mindre lungmetastaser. Viktigt är att möss som behandlades med CSC-TPDC hade betydligt färre lungmetastaser än H-TPDC vaccingrupp i båda experimenten som utfördes. I SCC7-modellen vaccinerades normala C3H djur s.c med SCC7 CSC-TPDC eller H-TPDC respektive på höger flank, följt av utmanande med osorterade SCC7 tumör celler s.c i vänster flank. Jämfört med PBS gruppen, H-TPDC inducerad blygsam anti-tumör immunitet mot tumör tillväxt. Det fanns dock signifikant hämning av tumörtillväxt hos möss som behandlades med CSC-TPDC jämfört med både kontrollgruppen och H-TPDC-gruppen (p<0,05, figur 3). Dessa resultat tyder på att CSCs kan användas som en effektivare antigen källa för att ladda DCs än traditionella osorterade tumör celler inducera skyddande immunitet mot utmaningen av tumör celler.
För att ytterligare förstå mekanismerna bakom den observerade CSC-inducerade skyddande antitumörimmuniteten skördade vi mjälten från de djur som utsattes för DC-vaccinationer i slutet av experimenten. Mjältecellerna aktiverades sedan av anti-CD3/CD28/IL-2 eller anti-CD3/CD28/IL-2 + LPS/anti-CD40. Sedan samlades kulturen supernatants för att upptäcka uttrycket av cytokiner och antikroppar. Mjältecellerna från de djur som vaccinerats med D5 CSC-TPDC eller SCC7 CSC-TPDC(figur 4)hade betydligt högre produktioner av IFNγ och GM-CSF . Dessutom fanns det signifikant (p<0,05) högre IgG-produktion av LPS/anti-CD40-aktiverade mjälteceller som samlats in från de djur som vaccinerats med D5 CSC-TPDC eller SCC7 CSC-TPDC jämfört med D5 H-TPDC eller SCC7 H-TPDC. Dessa antikroppar konstaterades binda till D5 respektive SCC7 CSCs, och sådan bindning kunde resultera i CSC lysis i närvaro av komplement8.
Figur 1. ALDHFLUOR+/ALDHhöga populationer upptäcktes i odlade samt nyligen skördade färska murin D5 melanom och SCC7 skivepiell cell tumörer. Tumörceller behandlade med 50 mmol/L DEAB, en specifik ALDH-hämmare, användes som negativ kontroll.
Klicka här om du vill visa större bild.
Figur 2. Generering av dendritiska cellbaserade cancerstamcellsvacciner. För beredning av CSC-TPDC och H-TPDC pulserades benmärg-härledda dendritiska celler medALDH hög eller osorterade tumör cell lysates, respektive.
Klicka här om du vill visa större bild.
Figur 3. CSC lysat pulsed DC (CSC-TPDC) vaccin kan inducera effektivare skyddande antitumör immunitet i s.c. SCC7 tumör modell. Klicka här om du vill visa större bild.
Figur 4. Mer potenta systemiska cellulära svar i immunkompetenta värd vaccinerade med CSC-TPDC. Splenocyter skördades från de djur som utsattes för H-TPDC- eller CSC-TPDC-vaccination och aktiverades enligt anvisningarna. Kultur supernatants samlades sedan in för cytokin detektion med ELISA.
Klicka här om du vill visa större bild.
Discussion
De immunkomprometterade värdarna, såsom SCID-möss, utesluter immunologiska bedömningar av CSC på grund av bristen på adaptiv immunitet hos värdarna. I denna studie utvärderade vi immunogeniciteten hos CSCs i immunkompetenta värdar, vilket närmare kan efterlikna patientinställningar. Berikade CSCs är immunogenic och kan inducera effektivare tumör skyddande immunitet när deras lysates laddas till DCs som ett vaccin jämfört med omarkerade tumör cell lysat-pulserade DCs. Mekanistiskt tilldelades skyddet genom selektiv induktion av CSC-reaktiva antikroppar och T-celler8 samt produktion av cytokin typ 1, t.ex.
De flesta av de nuvarande immunterapierna, inklusive dendritiska cellbaserade vacciner och adoptiv-T-cellöverföringen, är utformade för att rikta in sig på tumördifferentierade antigener. CSC, som kanske inte uttrycker dessa differentierade antigener, kan därför undgå denna immunologiska inriktning. CSC-vaccin som är utformat för att specifikt rikta in sig på cancerstamceller kan däremot förstöra denna speciella population av cancercellerna och därmed förbättra vaccinets terapeutiska effekt genom att förhindra tumöråterfall och metastasering.
I både odlade tumör celler och nyligen skördade tumörer identifierade vi CSC-berikade populationen genom flöde cytometri baserat på hög aldehyd dehydrogenas verksamhet. Sådana ALDHhöga celler kan isoleras genom flöde sortering för att användas som en antigen källa för att puls dc att generera CSC-TPDCs. Jämförelse med ALDHhöga celler isolerade från odlade tumör celler vs från nyligen skördade tumörer visade ingen signifikant skillnad i form av induktion av anti-CSC immunitet8. Dessa resultat visade potentialen att använda CSCs isolerade antingen från odlade tumör celler eller från nyligen skördade tumörer för klinisk tillämpning.
För att vara kliniskt relevant måste ett vaccin undersökas i terapeutisk miljö. Dessa experiment utförs nu i vårt laboratorium.
Disclosures
STEMCELL Technologies har stött publiceringsavgifter för Open Access.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Will och Jeanne Caldwell Endowed Research Fund vid University of Michigan Comprehensive Cancer Center och delvis av NIH grant CA82529 och 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).
