Introduction
经确定癌症细胞运动是预测转移潜能的，因为这样的行为通过基底膜和进入循环系统1促进侵袭。大多数研究蠕动集中于细胞如何表现在二维（2D）的设置，虽然它变得普遍认识到，细胞在三维（3D）矩阵的运动是更具代表性如何这些相同的细胞将实际的表现在体内 2。三维培养系统正越来越多地用于研究的细胞行为，范围从细胞形态，对生长动力学和药物敏感性3。到3D环境的上下文中监测癌细胞侵袭的愿望已经导致了通过悬滴培养法4，接着通过嵌入这些球体成3D胞涉及三维细胞聚集体（球状体）的产生先前建立的技术合成矩阵（ECM）的胶原蛋白和基底膜材料5组成。该方法旨在通过提供可以很容易地利用在各种实验条件下，比较入侵一个简化的方法来改善这些先前建立的技术。
更传统的方式来评估在体外细胞运动是划痕缠绕法和Transwell小实验6。前者测定描绘细胞运动在二维设置，因此独立的多种功能用于体内侵入关键的， 如蛋白酶活性7。 Transwell小测定可以更好的模型细胞入侵时井刀片涂覆有细胞外基质底物，但是，只有一个参数， 即细胞在相对 膜表面的外观被测量，和细胞侵袭的许多细微差别，因此不是很容易观察到。相对于这些技术中，癌细胞球体侵袭测定（图1 </强>）允许细胞侵入中的设置，不仅生理学相关的实时监控，而且还允许重要细胞系特有的功能而被可视化，如个人与集体细胞迁移8。这种方法也得到了标准的3D文化生长测定的优点。通过悬滴法细胞聚集的产生最初约束细胞运动，从而使细胞将被诱因侵入后该约束被提升。此外，一旦该约束被抬起，细胞出口将进行在一致的方向，然后可以方便地定量。
用于癌症细胞球体测定中最流行的ECM材料是基底膜和I型胶原，其中每个组件具有在影响转移行为重要和独特的作用。基质胶是由Engelbreth-Holm的群小鼠肉瘤细胞产生的蛋白质的分泌的混合物中，并富集basement的膜蛋白诸如层粘连蛋白，巢蛋白和IV型胶原9。出于这个原因基质胶是以下称为“基膜材料。”这些基底膜材料提供了所需的除了该施加的范围内的效果对细胞行为11许多其它蛋白质癌细胞侵袭10期间整合附着力必需配体。相比较而言，I型胶原，通常从肌腱等致密的胶原结构12的酸消化制备，是在作为结缔组织和间质支持组织的身体和器官的一个主要的结构元件更简单的基质材料。它已被证明胶原的物理特性可以调节的一些细胞运动的特征;例如，胶原纤维在肿瘤基质界面的取向允许癌细胞沿着这些原纤维侵入到基质13时，随后迁移。在这里介绍的试验中，两个I型胶原和基底膜材料被用作工具来研究三维癌细胞 - 基质相互作用。
抑制控制侵入可监控的细胞已经嵌入在三维矩阵后途径的或刺激的效果。细胞可以生长在挂滴剂或经转移到三维培养，这取决于一个漫长的处理是否需要调节入侵期间进行预处理。对于更短的处理，建议该药物可以与采集后的球体悬浮液，以及将包围3D培养，以促进适当的药物暴露于细胞的培养基混合。接着，正常或肿瘤相关的基质细胞可以混合与基质材料，以评估其在调节肿瘤细胞侵袭的作用，或以确定如何旁分泌和自分泌信号影响细胞的行为。这个想法是在一项研究显示，其中山坳共培养对癌细胞和内皮细胞在悬滴导致球状体14内的血管网。最后，将ECM成分也可以改变，如癌细胞的侵袭是通过不同的基板15的影响。下面提出的方法将由此提供用于评估在各种条件癌细胞侵袭的框架。一般来说我们发现，并非所有的细胞系将在悬滴创建球状体和上皮前瞻性细胞系通常形成定期球体。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.球体产生的
- 制备单细胞悬浮液通过分离用的PBS 70％汇合的贴壁〜癌细胞培养物悬滴培养洗涤随后暴露于0.05％的胰蛋白酶-EDTA溶液。
- 中和与细胞培养基的胰蛋白酶溶液和计数用细胞悬浮液的等分试样的细胞。注意：特定细胞培养基将取决于细胞系进行测试。遵循ATCC建议媒体，其中该细胞培养基是通常的DMEM + 10％FBS。更多信息可在材料表中找到。
- 执行稀释，以允许每细胞培养基的20微升一滴500-1,000细胞的播种。
- 收购10cm皿加入5毫升无菌PBS的底部。注：此步骤可以防止蒸发悬滴。成本较低的“细菌学级”菜可以代替细胞培养级的菜肴中使用，因为细胞不会续作用在培养表面。
- 使用多通道移液管到稀释的细胞悬浮液20微升的液滴转移到盖子的内表面上。
- 吸取40滴（5排8滴）到10 cm培养皿的盖子。
- 倒置的盖子，将在培养皿。孵育悬滴培养物在37℃下72小时，以产生球体。
- 翻转盖的自信，但控制的方式。注意：反相盖子过快或过慢会引起液滴移动。某些细胞系可以形成在48小时或更少的球状体，而其他的可能需要超过72小时，以产生紧凑的聚集体。
2.球体嵌入到3D矩阵
- 嵌入球体之前过夜解冻的生长因子减少的基底膜材料的等分试样于4℃。
- 可选：图层井ECM提前预防与组织文化前进潜力球体的互动再面。
- 吸取200微升每孔ECM在24孔板。
- 倾斜板，以确保对ECM覆盖整个井表面。
- 小心地除去多余的ECM用吸管。
- 孵育板直到井干：3小时在室温或过夜，在4℃。
- 可选：图层井ECM提前预防与组织文化前进潜力球体的互动再面。
- 通过倾斜的组织培养皿的盖子，汇集媒体收集的球体。与球体的媒体转移到1.5 ml离心管。
- 允许10分钟的球体，收于离心管的底部。球状体应该是肉眼可见的。
- 混合100微升的基底膜材料用100μl冷的（4℃）的I型胶原蛋白在一个单独的预冷管，保持该混合物在4℃下 ，以防止任一凝胶从固化过早。
- 使用预冷枪头，如果转让的小卷。
- 提供医疗服务时，混合基底膜材料和I型胶原，以防止空气气泡的形成。注： 气泡后可能妨碍成像的协议，如果他们成为镶嵌在凝胶。
- 吸从离心管的40微升底部的球状体，并结合基底膜材料/ I型胶原混合物。要小心，以防止形成气泡混合时。注：该解决方案包含100微升基底膜材料，100微升I型胶原，和40微升的球体将创造足够的材料为4个独立的3D文化。这可以放大或缩小。
- 吸取40微升滴粘性的混合物的成孔上的24孔平板的中心。保持板水平，以防止该混合物从运行到井的侧面。注：在24孔板中，一列 - 4口井 - 建议对每个要测试的条件。
- 放置板INTOA 37℃培养箱并留下静置30分钟。三维文化将在此期间聚合。
- 慢慢地淹没在3D培养1毫升细胞培养基。
- 确保将其添加时入井，以进一步促进凝胶的聚合媒体是温暖的。
- 关键的一步： 轻轻将介质添加到 3D文化。吹打媒体太快入井可导致从组织培养表面上的三维培养物的脱离。
3.监测和分析球体入侵
- 图片入侵从球体到周围的3D矩阵，在时间点由研究者决定。获得使用倒置显微镜以20倍的物镜的照片。注意：理想的时间点会取决于细胞系被测试不同。电镀后不久更具侵入性的细胞系将开始从球体的出口，因此，采取初步的照片S内的几个小时后，电镀。一般来说，拍摄照片，在0小时（接种后），24小时和48小时。入侵通常最后24至48小时后，电镀。
- 利用图像分析软件，如图像J.定量侵袭能力
- 分析侵入从旋转椭圆体的边缘的小区距离。
- 使用顺子工具，以纪念半径和/或最大侵入距离。
- 点击顶部菜单中的“分析”，然后单击“测量”，显示长度测量。
- 分析入侵的球体外面总有创面积。
- 使用徒手绘制工具来跟踪球体和/或总侵入区域的边界。
- 点击顶部菜单中的“分析”，然后单击“测量”，显示面积测量。
- 使用类似的投资回报率经理工具插件创建测量堆栈的图像。
- 分析侵入从旋转椭圆体的边缘的小区距离。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
使用球体侵袭测定（图1），肿瘤细胞系的组为他们以形成球状体，以及用于小区出口的在3D基质植入后表现出组成的基底膜材料和I型胶原蛋白的量的能力进行了测试（ 表1）。这些结果表明，并不是每一个细胞系将产生良好的球状体，其中细胞系具有体外上皮形态倾向于产生定期和光滑聚集体。不同的细胞系在测定侵入的能力也是可变的。已经建立的作为是侵入性的像4T1，E0771，和U-87 MG细胞系表现出在测定高度球体的出口。不太积极的细胞系，如MCF-7，BT474，和MCF10DICS.com没有侵入，正如预期的。意外的，但是，是缺乏入侵A-431和COLO 357 PL单元格中显示的。的数据的一些这些一例线示出（图2）。对于4T1和E0771细胞浸润已经明显24小时嵌入球体进入3D矩阵后，对于U-87 MG，直接植入后的矩阵入侵开始。
细胞入侵的定性评估可以通过定量的图像分析软件得到进一步的支持。为定量侵入的程度两种不同的策略包括（图3），以及所选择的策略取决于入侵目击的类型。在ImageJ的，侵入距离或侵入性的区域，使用软件的绘图工具，在这之后产生的像素的测量值比较，首先划定。显微镜图像可以被导入为一个栈来实现更高效的数据采集，但如果这样做，像投资回报率管理工具插件，建议，以促进有效的测量。
| 细胞系 | 癌症类型 | 球形成能力 | 分析入侵 | |
| 4T1 | 乳腺 | 鼠标 | +++ | ++ |
| A-431 | 表皮 | 人类 | +++ | - |
| BT-474 | 乳房 | 人类 | ++ | - |
| COLO 357 PL | 胰腺 | 人类 | ++ | - |
| E0771 | 乳腺 | 鼠标 | +++ | +++ |
| 将LNCaP | 前列腺 | 人类 | + | - |
| MCF-7 | 乳房 | 人类 | +++ | - |
| MCF10DCIS.com | 乳房 | 人类 | ++ | - |
| MDA-MB-231 | 乳房 | 人类 | - | ？ |
| PANC-1 | 胰腺 | 人类 | + | ++ |
| PC-3 | 前列腺 | 人类 | - | ？ |
| SK-BR-3 | 乳房 | 人类 | - | ？ |
| U-87 MG | 胶质母细胞瘤 | 人类 | +++ | +++ |
表1：测试的球体-形成和入侵不同细胞系的细胞系，根据他们的球体形成能力和侵袭评分。
图1：旋转椭圆体侵袭测定的关联的工作流程中，从组织培养皿72小时的盖挂起的媒体滴产生球体。接着，液滴被汇集，与球状体是TRANSF犯错的基底膜材料和I型胶原4℃的混合物。以下球体再悬浮，将粘稠混合物移液到24孔板中，然后将其给予30分钟，在37℃下固化成一个三维培养的孔中。暖媒体然后加入到孔中。从球状体细胞退出，然后随着时间的推移监测。
图2：实验数据的示例 4T1，E0771和U-87细胞表现出侵袭的球状体，而A-431和MCF-7细胞没有。 U-87细胞侵袭24小时后最为明显，而最大入侵的4T1和E0771细胞后发生。对于大多数侵袭性E0771和U-87 MG细胞系，细胞出口出现来抵消的增加与侵入性较少的线路否则观察球体的大小。比例尺，200微米。OM /文件/ ftp_upload / 53409 / 53409fig2large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
图3：入侵定量侵袭可以通过图像分析来定量，例如，使用的Image J软件。 （一）计算入侵为最长侵入距离球体发出的功能。 （二）通过细胞离开球体入侵总面积。 请点击此处查看该图的放大版本。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
本研究评估癌细胞系面板的性能在一个球体侵袭测定（ 表1）。一般地，我们发现，球体的形成增强了更多上皮前瞻性的细胞系，其中细胞 - 细胞连接的存在促进了球体状结构的形成。已知已经历上皮间质转变的细胞系，如MDA-MB-231细胞不形成在最有可能的悬滴培养球状体由于它们的减小E-，N-，和P-cadherin表达16。
一些在球体侵袭测定的步骤需要密切遵守的协议。它是绝对关键吹打基底膜和胶原混合物时工作，快捷，而且这是至关重要的1保持接近4℃，同时因为它的工作将开始在室温下固化的混合物。此外，水溶性胶原蛋白制剂是酸性的，并且由ADDIT被诱导凝胶少量的氢氧化物和盐的钠离子，接着升温至37℃。在我们手中，简单地混合胶原等体积与基底膜材料呈现在升温因为基底膜组分是能够中和胶原凝胶其能力的。如果较小比率基底膜：计划胶原，胶原应之前加入基底膜混合物以促进聚合中和。一旦形成，最球状体具有耐解离和将生存再悬浮在该粘性混合物将组成三维培养。在再悬浮步骤，还必须施加护理，以限制空气气泡的形成，因为这些可能会阻碍成像。当添加培养基以后的凝胶已凝固的孔，它一个吸管慢慢以防止3D培养从培养皿分离是重要的。
癌细胞的出口到周围的3D矩阵是generallý关联以线的侵入能力，其中，E0771和U-87 MG细胞中展示了最入侵的这里所研究的细胞系（图2）的面板。有趣的是，这两条线还表现出不同的入侵的模式。而E0771细胞侵入以渐进和集体的方式，U-87细胞显示从球体个人和迅速退出。球体侵袭实验从而允许一个比较所使用的线路侵入衬底的不同模式。
分析入侵不同的方法示于图3和分析的优选方式可取决于入侵的模式。无论采用分析的类型，该测定被设计为允许快速定量入侵出大量球状体。球状体的汇集成一个三维培养混合物，然后等分该混合物以创建4个独立的复制培养，导致establi多个球状体shment可以为一个给定的实验条件下（图1）进行监测。该法是，因此容易易于进行统计比较由于大潜在的“n”，并用相同类型的球状体共享的表型似乎表现出最小的变异性。需要注意的是类似BT-474和MCFDCIS细胞较少攻击性细胞系形成具有更小的尺寸比更具侵略性线条流畅，紧凑的球。作为结果，在初始细胞接种到悬滴期间，起始细胞数目需要作相应调整。
执行对我们的期望有些转移性细胞系，并没有表现出这种检测入侵行为。著名的例子包括A-431和COLO 357 PL细胞。这可能是由于缺乏侵入由这些线显示的是由于细胞外基质底物，该球状体嵌入到类型。确实，其他人已经表明基底膜伴侣里亚尔（ 如基质胶）和胶原蛋白可以侵入细胞17可能是由于迁移18种不同的基质金属蛋白酶要求对不同的作用。因此，调整的胶原的比值：基底膜材料是另一种方式来修改检测的结果，其中减少基底膜材料组件以总混合物的三分之一，从而允许增加的胶原蛋白的量，可以通过进一步提高侵袭某些类型的细胞。这个想法是体现在最近的一项研究发现乳腺组织体的侵袭能力和类型的号码，我的胶原纤维存在，其中的胶原纤维形成通过扩大pH值4℃预培养期促进中和胶原19之间的正相关关系。
有些细胞系采取行动与预期相反的发现显示了一些这种测定的局限性。虽然监测癌细胞侵袭了Ø发球体成3D混合物组成的胶原和基底膜材料是比一2D运动测定多种生理上相关的，它仍是一个模型系统，省略体内否则发现了一些生物复杂性。例如，转移能力可以由支持原位与异位肿瘤生长20的独特微环境进行调制并，因此，承认各种基质因素可深刻影响的转移过程是很重要的。许多这些因素不存在于这里提出的入侵检测与可以解释一些观察到的不一致。
总之，这里介绍的癌细胞球体侵袭实验提供了用于在生物相关的设置监控入侵的灵活框架，支持细胞侵入机制的发现，并且可以以新颖抗转移治疗的开发潜在地帮助。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
由美国国立卫生研究院资助P30 CA051008和T32 CA009686（ATR）的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Matrigel Growth Factor Reduced | Corning | CB-40234 | |
| Collagen Type I, Rat Tail, 100 mg | Millipore | 08-115 | |
| DMEM | Life Technologies | 11995-065 | |
| RPMI 1640 Medium | Life Technologies | 11875-093 | |
| PBS | Life Technologies | 10010-023 | |
| 0.05% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25300-054 | |
| Fetal Bovine Serum, Heat Inactivated | Omega Scientific | FB-12 | |
| 100 mm TC-treated Dishes | Corning Incorporated | 430167 | |
| 24-well TC-treated Plates | NEST Biotechnlology | 702001 | |
| Olympus IX-71 Inverted Microscope | |||
| Cell lines were maintained in DMEM + 10% FBS, with the expection of BT-474 and LNCaP cells, which were mantained in RPMI + 10% FBS. |
References
- Chambers, A. F., Groom, A. C., MacDonald, I. C. Metastasis: Dissemination and growth of cancer cells in metastatic sites. Nat Rev. Cancer. 2 (8), (2002).
- Schmeichel, K. L., Bissell, M. J. Modeling tissue-specific signaling and organ function in three dimensions. J Cell Sci. 116 (12), 2377-2388 (2003).
- Yamada, K. M., Cukierman, E. Modeling tissue morphogenesis and cancer in 3D. Cell. 130 (4), (2007).
- Foty, R. A simple hanging drop cell culture protocol for generation of 3D spheroids. J Vis Exp. 51, (2011).
- Del Duca,, Werbowetski, D., T,, Del Maestro,, F, R. Spheroid preparation from hanging drops: characterization of a model of brain tumor invasion. J Neuro-Oncol. 67 (3), (2004).
- Justus, C. R., Leffler, N., Ruiz-Echevarria, M., Yang, L. V. In vitro cell migration and invasion assays. J Vis Exp. 88, (2014).
- Ramos-DeSimone, N., Hahn-Dantona, E., Sipley, J., Nagase, H., French, D. L., Quigley, J. P. Activation of matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) via a converging plasmin/stromelysin-1 cascade enhances tumor cell invasion. J Bio Chem. 274 (19), Forthcoming.
- Friedl, P., Wolf, K. Tumour-cell invasion and migration: diversity and escape mechanisms. Nature Rev. Cancer. 3 (5), 362-374 (2003).
- Kleinman, H. K., Martin, G. R. Matrigel: Basement membrane matrix with biological activity. Semin Cancer Biol. 15 (5), 378-386 (2005).
- Shaw, L. M., Chao, C., Wewer, U. M., Mercurio, A. M. Function of the integrin α6β1 in metastatic breast carcinoma cells assessed by expression of a dominant-negative receptor. Cancer Res. 56 (5), 959-963 (1996).
- Hughes, C. S., Postovit, L. M., Lajoie, G. A. Matrigel: a complex protein mixture required for optimal growth of cell culture. Proteomics. 10 (9), (2010).
- Rajan, N., Habermehl, J., Coté, M. -F., Doillon, C. J., Mantovani, D. Preparation of ready-to-use, storable and reconstituted type I collagen from rat tail tendon for tissue engineering applications. Nat Protoc. 1 (6), (2006).
- Provenzano, P. P., Eliceiri, K. W., Campbell, J. M. Collagen reorganization at the tumor-stromal interface facilitates local invasion. BMC Med. 4 (1), (2006).
- Timmins, N. E., Nielsen, L. K. Generation of multicellular tumor spheroids by the hanging-drop method. Methods Mol Med. 140, 141-151 (2007).
- Brenner, W., Groß, S., Steinbach, F., Horn, S., Hohenfellner, R., Thüroff, J. W. Differential inhibition of renal cancer cell invasion mediated by fibronectin, collagen IV and laminin. Cancer Lett. 155, 199-205 (2000).
- Nieman, M. T., Prudoff, R. S., Johnson, K. R., Wheelock, M. J. N-cadherin promotes motility in human breast cancer cells regardless of their E-cadherin expression. J Cell Biol. 147 (3), Forthcoming.
- Cheung, K. J., Gabrielson, E., Werb, Z., Ewald, A. J. Collective invasion in breast cancer requires a conserved basal epithelial program. Cell. 155 (7), (2013).
- Sodek, K. L., Brown, T. J., Ringuette, M. J. Collagen I but not Matrigel matrices provide an MMP-dependent barrier to ovarian cancer cell penetration. BMC Cancer. 8 (1), 223-2210 (2008).
- Nguyen-Ngoc, K. V., Ewald, A. J. Mammary ductal elongation and myoepithelial migration are regulated by the composition of the extracellular matrix. J Microsc. 251 (3), 212-223 (2013).
- Glinskii, A. B., Smith, B. A., Jiang, P., Li, X., Yang, M., Hoffman, R. M., Glinsky, G. V. Viable circulating metastatic cells produced in orthotopic but not ectopic prostate cancer models. Cancer Res. 63 (14), 4239-4243 (2003).
