En humant glioblastom organotypisk skivekulturmodel til undersøgelse af tumorcellemigration og patientspecifikke virkninger af antiinvasive stoffer
Summary
Nuværende ex vivo modeller af glioblastom (GBM) er ikke optimeret til fysiologisk relevant undersøgelse af humant tumorinvasion. Her præsenterer vi en protokol til generering og vedligeholdelse af organotypiske skivekulturer fra frisk human GBM væv. En beskrivelse af time-lapse mikroskopi og kvantitative celle migrationsanalyse teknikker er tilvejebragt.
Abstract
Glioblastom (GBM) har fortsat en ekstremt dårlig klinisk prognose på trods af kirurgisk, kemoterapeutisk og strålebehandling. Progressiv tumorinvasion i omgivende hjerneparenchyma repræsenterer en varig terapeutisk udfordring. For at udvikle anti-migrationsterapier til GBM er det nødvendigt med modelsystemer, der giver en fysiologisk relevant baggrund for kontrolleret forsøg. Her præsenterer vi en protokol til generering af skivekulturer fra humant GBM væv opnået under kirurgisk resektion. Disse kulturer tillader ex vivo- eksperimentering uden passage gennem dyre-xenografter eller enkeltcellekulturer. Desuden beskriver vi brugen af time-lapse laser scanning konfokal mikroskopi i forbindelse med cellesporing for kvantitativt at studere tumorcellernes tilknyttede adfærd og tilhørende respons på terapeutik. Skiverne produceres reproducerbart inden for 90 minutter af kirurgisk vævsopkøb. Retroviralt medieret fluorescerende celle laBeling, konfokal billeddannelse og tumorcelle migrationsanalyser udføres efterfølgende inden for to ugers kultur. Vi har med succes brugt disse skivekulturer til at afdække genetiske faktorer i forbindelse med øget migrerende adfærd i human GBM. Desuden har vi valideret modelens evne til at detektere patientspecifik variation som svar på anti-migrationsbehandling. Flytning fremad er humane GBM skivekulturer en attraktiv platform til hurtig ex vivo vurdering af tumorfølsomhed over for terapeutiske midler for at fremme personlig neuro-onkologisk terapi.
Introduction
Laboratorieundersøgelsen af glioblastom (GBM) hindres af mangel på modeller, som trofast rekapitulerer de krævede patologiske karakteristika ved den menneskelige sygdom, nemlig tumorcellemigration og invasion. Sammenligningsundersøgelser af 2D- og 3D in vitro- invasionstest samt 3D-gnavere af slagtekulturer har afdækket mekanisk forskelligartede cellulære migrationsprogrammer i disse to sammenhænge, der potentielt begrænser translatabiliteten af fund fra 2D-systemer til den humane sygdom 1 , 2 , 3 . Det organotype tumorskivekultur- og billeddannelsesparadigm, der beskrives her, tillader undersøgelse af tumorcellemigration inden for skiver af humant tumorvæv ex vivo opnået fra kirurgisk resektion. Således tilvejebringer skivekulturer af kirurgisk resekteret tumorvæv i forbindelse med time-lapse-konfokalmikroskopi en platform til at studere tumorcelle-migration i den nativeMikro-miljø uden vævsopløsning eller kulturpassage.
Der er omfattende litteratur, der anvender gnavere hjerneskivekulturmodeller af GBM genereret fra humane tumor-xenotransplantater, retrovirale inducerede tumorer og cellulære overlejringer til undersøgelse af tumorinvasion 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . For nylig har flere grupper beskrevet genereringen af organotypiske skivekulturer direkte fra humant GBM væv 6 , 7 , 8 , 9 , 10 . Der er imidlertid markant variation blandt offentliggjorte protokoller med hensyn til udskæringsteknik og kulturmedier. Endvidere har anvendelsen af organotypiske skivekulturer fokuseret på statiske eksperimentelle endepunkter, der har medtaget ændringer i celle signalerNg, proliferation og død. Protokollen beskrevet heri udvider på tidligere skivekulturparadigmer ved at inkorporere tidsopløst observation af dynamisk tumorcelleadfærd ved hjælp af time-lapse laser scanning-konfokal mikroskopi. Nylig opdagelse af inter 11 og intratumoral 12 , 13 genetisk variation i humant GBM understreger vigtigheden af at forbinde denne heterogenitet med tumorcelleadfærd og dens implikationer på tumorrespons til terapi. Her rapporterer vi en strømlinet og reproducerbar protokol til brug af direkte skivekulturer fra et humant cancervæv til at visualisere tumorcelleindvandring i nær real-time.
Protocol
Representative Results
Discussion
Organotypiske skivekulturer fra humant kræftvæv giver en attraktiv og underudnyttet platform til præklinisk translationel eksperimentering. Forståelse af befolkningsniveauadfærd hos tumorceller med hensyn til migration, proliferation og celledød i det naturlige tumormikromiljø mangler. Kritisk kan undersøgelse af tumorrespons på terapi på en dynamisk, tidsopløst måde på celleadfærdens niveau afdække nye mekanismer for behandlingsresistens. Humane tumorskivekulturer tilvejebringer en forbindelse mellem den…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Dr. Lee Niswander og Dr. Rada Massarwa for deres tekniske ekspertise og bidrag til den skivekultur-konfokale billedprotokol, der beskrives her. Yderligere tak til Dr. Kalen Dionne, der gav ekspertise vedrørende optimering af hjernevaskesplitning og kulturparametre.
Materials
| DMEM High Glucose | Invitrogen (Gibco) | 11960-044 | |
| Neurobasal-A Medium, minus phenol red | Invitrogen (Gibco) | 12349-015 | |
| B-27 Supplement (50X), serum free | Invitrogen (Gibco) | 17504-044 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Invitrogen (Gibco) | 15140-122 | |
| GlutaMAX Supplement | Invitrogen (Gibco) | 35050-061 | |
| L-Glutamine (200 mM) | Invitrogen (Gibco) | 25030-081 | |
| HEPES (1 M) | Invitrogen (Gibco) | 15630-080 | |
| Nystatin Suspension | Sigma-Aldrich | N1638-20ML | 10,000 unit/mL in DPBS, aseptically processed, BioReagent, suitable for cell culture |
| UltraPure Low Melting Point Agarose | Invitrogen (Gibco) | 16520-050 | Melts at 65.5 C, Remains fluid at 37 C, and sets rapidly below 25 C. |
| Isolectin GS-IB4 from Griffonia simplicifolia, Alexa Fluor 647 Conjugate | Thermo Fisher (Molecular Probes) | I32450 | Used in media to label Microglia/Macrophages |
| pRetroX-IRES-ZsGreen1 Vector | Clonetech | 632520 | |
| Retro-X Concentrator | Clonetech | 31455 | Binding resin for non-ultracentrifugation concentration of viral supernatants |
| pVSG-G Vector | Clonetech | 631530 | part of the Retro-X Universal Retroviral Expression System |
| GP2-293 Viral packaging cells | Clonetech | 631530 | part of the Retro-X Universal Retroviral Expression System |
| Cyanoacrylate Glue (Super Glue) | Sigma-Aldrich | Z105899 | Medium-viscosity |
| Equipment | |||
| Peel-A-Way Embedding Mold (Square – S22) | Polysciences, Inc. | 18646A-1 | Molds for tumor sample embedding |
| Stainless Steel Micro Spatulas | Fisher Scientific | S50823 | Bend instrument 45 degrees at the neck of the spoon blade |
| Curved Fisherbrand Dissecting Fine-Pointed Forceps | Fisher Scientific | 08-875 | |
| Single Edge Razor Blade (American Safety Razors) | Fisher Scientific | 17-989-001 | Blade edge is 0.009" thick. Crimped blunt-edge cover is removed before loading onto vibratome. |
| Leica VT1000 S Vibratome | Leica Biosystems | VT1000 S | |
| Hydrophilic PTFE cell culture insert | EMD Millipore | PICM0RG50 | 30 mm, hydrophilic PTFE, 0.4 µm pore size |
| 35 mm Glass Bottom Dishes | MatTek | P35G-1.5-20-C Sleeve | 20mm glass diameter. Coverslip glass thickness 1.5 |
| LSM 510 Confocal Micoscope | Zeiss | LSM 510 | 10x Air Objective (c-Apochromat NA 0.45) |
| PECON Stagetop Incubator | PeCON Germany | (Discontinued) | Incubator PM 2000 RBT is a comprable product designed for use with Zeiss Microscopes. |
References
- Beadle, C., et al. The role of myosin II in glioma invasion of the brain. Mol Biol Cell. 19, 3357-3368 (2008).
- Farin, A., et al. Transplanted glioma cells migrate and proliferate on host brain vasculature: a dynamic analysis. Glia. 53, 799-808 (2006).
- Panopoulos, A., Howell, M., Fotedar, R., Margolis, R. L. Glioblastoma motility occurs in the absence of actin polymer. Mol Biol Cell. 22, 2212-2220 (2011).
- Ivkovic, S., et al. Direct inhibition of myosin II effectively blocks glioma invasion in the presence of multiple motogens. Mol Biol Cell. 23, 533-542 (2012).
- Assanah, M., et al. Glial progenitors in adult white matter are driven to form malignant gliomas by platelet-derived growth factor-expressing retroviruses. J Neurosci. 26, 6781-6790 (2006).
- Chaichana, K. L., et al. Preservation of glial cytoarchitecture from ex vivo human tumor and non-tumor cerebral cortical explants: A human model to study neurological diseases. J Neurosci Methods. 164, 261-270 (2007).
- Grube, S., et al. Overexpression of fatty acid synthase in human gliomas correlates with the WHO tumor grade and inhibition with Orlistat reduces cell viability and triggers apoptosis. J Neurooncol. 118, 277-287 (2014).
- Hovinga, K. E., et al. Inhibition of notch signaling in glioblastoma targets cancer stem cells via an endothelial cell intermediate. Stem Cells. 28, 1019-1029 (2010).
- Merz, F., et al. Organotypic slice cultures of human glioblastoma reveal different susceptibilities to treatments. Neurooncol. 15, 670-681 (2013).
- Xu, J., et al. Vorinostat modulates cell cycle regulatory proteins in glioma cells and human glioma slice cultures. J Neurooncol. 105, 241-251 (2011).
- Verhaak, R. G., et al. Integrated genomic analysis identifies clinically relevant subtypes of glioblastoma characterized by abnormalities. in PDGFRA, IDH1, EGFR, and NF1. Cancer cell. 17, 98-110 (2010).
- Gill, B. J., et al. MRI-localized biopsies reveal subtype-specific differences in molecular and cellular composition at the margins of glioblastoma. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 12550-12555 (2014).
- Snuderl, M., et al. Mosaic amplification of multiple receptor tyrosine kinase genes in glioblastoma. Cancer cell. 20, 810-817 (2011).
- Kakita, A., Goldman, J. E. Patterns and dynamics of SVZ cell migration in the postnatal forebrain: monitoring living progenitors in slice preparations. Neuron. 23, 461-472 (1999).
- Meijering, E., Dzyubachyk, O., Smal, I., van Cappellen, W. A. Tracking in cell and developmental biology. Sem Cell Dev Biol. 20, 894-902 (2009).
- Parker, J. J., et al. Gefitinib selectively inhibits tumor cell migration in EGFR-amplified human glioblastoma. Neurooncol. 15, 1048-1057 (2013).
- Brat, D. J., et al. Pseudopalisades in glioblastoma are hypoxic, express extracellular matrix proteases, and are formed by an actively migrating cell population. Cancer Res. 64, 920-927 (2004).
- Shweiki, D., Itin, A., Soffer, D., Keshet, E. Vascular endothelial growth factor induced by hypoxia may mediate hypoxia-initiated angiogenesis. Nature. 359, 843-845 (1992).
- Shamir, E. R., Ewald, A. J. Three-dimensional organotypic culture: experimental models of mammalian biology and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 15, 647-664 (2014).
- Charles, N. A., Holland, E. C., Gilbertson, R., Glass, R., Kettenmann, H. The brain tumor microenvironment. Glia. 60, 502-514 (2012).
- Di Cristofori, A., et al. The vacuolar H+ ATPase is a novel therapeutic target for glioblastoma. Oncotarget. 6, 17514-17513 (2015).
- Vaira, V., et al. Preclinical model of organotypic culture for pharmacodynamic profiling of human tumors. Proc Natl Acad Sci USA. , 8352-8356 (2010).
- Gerlach, M. M., et al. Slice cultures from head and neck squamous cell carcinoma: a novel test system for drug susceptibility and mechanisms of resistance. Br J Cancer. 110, 479-488 (2014).
- Holliday, D. L., et al. The practicalities of using tissue slices as preclinical organotypic breast cancer models. J Clin Pathol. 66, 253-255 (2013).
- Maund, S. L., Nolley, R., Peehl, D. M. Optimization and comprehensive characterization of a faithful tissue culture model of the benign and malignant human prostate. Lab Invest. 94, 208-221 (2014).
