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Cancer Research

Utilizzo di microarray per interrogare l'impatto microambientale sui fenotipi cellulari nel cancro

Published: May 21, 2019 doi: 10.3791/58957

Summary

Lo scopo del metodo qui presentato è quello di mostrare come i microarray di microambiente (MEMA) possono essere fabbricati e utilizzati per interrogare l'impatto di migliaia di semplici microambienti combinatori sul fenotipo delle cellule coltivate.

Abstract

Comprendere l'impatto del microambiente sul fenotipo delle cellule è un problema difficile dovuto alla complessa miscela di fattori di crescita solubili e proteine associate a matrici nel microambiente in vivo. Inoltre, i reagenti prontamente disponibili per la modellazione di microambienti in vitro in genere utilizzano complesse miscele di proteine che sono incompletamente definite e soffrono di variabilità in lotti. La piattaforma microarray microambiente (MEMA) consente la valutazione di migliaia di semplici combinazioni di proteine microambientali per il loro impatto sui fenotipi cellulari in un unico test. I MEMA sono preparati in piastre di pozzo, che consente l'aggiunta di singoli ligandri per separare pozzi contenenti proteine a matrice extracellulare (ECM) suddivise. La combinazione del ligando solubile con ogni ECM stampato forma una combinazione unica. Un tipico test MEMA contiene più di 2.500 microambienti combinatori unici a cui le cellule sono esposte in un unico test. Come test case, la linea cellulare del cancro al seno MCF7 è stata placcata sulla piattaforma MEMA. L'analisi di questo analisi ha identificato i fattori che migliorano e inibiscono la crescita e la proliferazione di queste cellule. La piattaforma MEMA è altamente flessibile e può essere estesa per l'uso con altre questioni biologiche al di là della ricerca sul cancro.

Introduction

La raccolta di linee cellulari tumorali su plastica in monostrati bidimensionali (2D) rimane uno dei principali cavalli di battaglia per i ricercatori oncologici. Tuttavia, il microambiente è sempre più riconosciuto per la sua capacità di impatto sui fenotipi cellulari. Nel cancro, il microambiente tumorale è noto per influenzare più comportamenti cellulari, tra cui la crescita, sopravvivenza, invasione, e la risposta alla terapia1,2. Le colture cellulari monostratore tradizionali in genere mancano di influenze microambientali, il che ha portato allo sviluppo di analisi tridimensionali più complesse (3D) per far crescere le cellule, compresi gli estratti di membrana seminterrato purificati disponibili in commercio. Tuttavia, queste matrici purificate sono in genere complicate da usare e soffrono di problemi tecnici come la variabilità del lotto3 e le composizioni complesse3. Di conseguenza, può essere difficile assegnare la funzione a specifiche proteine che possono avere un impatto sui fenotipi cellulari3.

Per affrontare queste limitazioni, abbiamo sviluppato la tecnologia microarray microambiente (MEMA), che riduce il microambiente fino a semplici combinazioni di matrice extracellulare (ECM) e proteine solubili del fattore di crescita4,5 . La piattaforma MEMA consente l'identificazione di fattori microambientali dominanti che influenzano il comportamento delle cellule. Utilizzando un formato di matrice, migliaia di combinazioni di fattori di microambiente possono essere tese in un unico esperimento. La MEMA qui descritta interroga 2.500 diverse condizioni di microambiente unico. Le proteine ECM stampate in lastre di pozzo formano pastiglie di crescita su cui le cellule possono essere coltivate. I ligandi solubili vengono aggiunti ai singoli pozzi, creando microambienti combinatori unici (ECM e ligando) su ogni punto diverso a cui sono esposte le cellule. Le cellule vengono coltivate per diversi giorni, quindi fisse, colorate e imagete per valutare i fenotipi cellulari come risultato dell'esposizione a queste specifiche combinazioni di microambienti. Poiché i microambienti sono semplici combinazioni, è semplice identificare le proteine che guidano i principali cambiamenti fenotipici nelle cellule. I MEMA sono stati utilizzati con successo per identificare i fattori che influenzano più fenotipi cellulari, compresi quelli che guidano le decisioni del destino cellulare e la risposta alla terapia4 ,5,6,7. Queste risposte possono essere convalidate in semplici esperimenti 2D e possono quindi essere valutate in condizioni che riassumono più pienamente la complessità del microambiente tumorale. La piattaforma MEMA è altamente adattabile a una varietà di tipi di cellule ed endpoint, a condizione che siano disponibili buoni biomarcatori fenotipici.

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Protocol

NOT: Una panoramica dell'intero processo MEMA, incluso il tempo stimato, è descritta nel diagramma di flusso illustrato nella Figura 1. Questo protocollo descrive in dettaglio la fabbricazione di MEMA in lastre a 8 pozze. Il protocollo può essere adattato per altre piastre o diapositive.

1. Preparazione di buffer proteici, diluenti e coloranti

  1. Fiale di ECMs Equilibrat ligando, e citochine a temperatura ambiente (RT) e centrifuga brevemente. Aggiungere il volume appropriato del buffer RT appropriato come indicato nella scheda dati del prodotto. Seguire la raccomandazione del produttore per le concentrazioni di scorte.
    NOT: Un elenco completo dei ligandi e degli EPER con le loro scorte e le loro concentrazioni finali è riportato nelle tabelle 1 e nella tabella 2. Sia i ligandi che gli EMM sono tipicamente utilizzati alla più alta concentrazione della gamma raccomandata dal produttore che suscita un effetto biologico nei saggi di coltura standard di 2 giorni. Maneggiare le proteine delicatamente e in armadietti di biosicurezza sotto il flusso laminare per evitare la contaminazione.
  2. Incubare fiale con dondolo delicato a RT per 1 h. Non vortice proteine in quanto ciò può causare loro la denatura.
  3. Proteine aliquote per lo stoccaggio a lungo termine in modo che tutti gli usi siano monouso solo per evitare la degradazione con cicli di congelamento/scongelamento ripetuti. Conservare le proteine lofilizzate a -80 gradi centigradi (se non diversamente specificato) fino a quando necessario. Fare attenzione a raccogliere tutti i metadati per riferimento futuro, ad esempio: (i) nome della proteina, (ii) data preparata, (iii) numero di lotto/batch, (iv) fornitore, (v) numero di catalogo, concentrazione (vi), volume (vii) e (viii) preparatore.
  4. Preparare il buffer diluente contenente 20% (v/v) glicerol, 10 mM EDTA, 200 mM Tris-HCl, pH 7.2 e sterilizzare il filtro. Mantenere questo buffer sterile e memorizzare in RT.
  5. Preparare il buffer di colorazione contenente 2% (w/v) BSA, 1 mM MgCl2e 0,02% NaN3 in pbx (Phosphate-buffered). Filtrare e conservare a 4 gradi centigradi.

2. Preparazione di una piastra sorgente ECM

  1. Rimuovere gli stock di proteine ECM da stampare e scongelare sul ghiaccio. Registrare tutti i numeri di lotto per il rilevamento dei metadati.
  2. I tubi di proteine scongerate pulivano delicatamente per garantire una corretta sospensione e spin giù in una centrifuga.
  3. Crea miscele di stampa ECM (EPM) e un fiduciario fluorescente da utilizzare da un robot a movimentazione liquida che creerà le lastre casuali di 384 pozze.
    NOTA:
    Le lastre di origine 384-well verranno utilizzate da una stampante di serie di pin touch per creare gli array stampati in 8 lastre ben.
    1. Etichettare i tubi di microcentrifuga da 1,5 ml per ogni EPM e fiduciario.
    2. Preparare ogni EPM combinando 125 l di buffer diluente (vedere il punto 1.4) con il volume appropriato del brodo ECM e portare la miscela fino a un volume totale di 250 gradi con PBS. Le concentrazioni finali in ogni tubo EPM saranno 1x proteina ECM, 5 mM EDTA, 10% glicerol e 100 mM Tris.
    3. Preparare un fiduciario fluorescente sciogliendolo nell'appropriato buffer specificato dal produttore e trasferire 250 l in un tubo fiduciario etichettato.

3. Creazione della piastra di origine utilizzando un gestore di liquidi

  1. Progettare un layout a lamiera a 384 pozze che perlizzi le posizioni degli ECC ed è ottimizzato per la testa del pin della stampante di array utilizzata. Progettare il posizionamento del fiduciario in modo che venga stampato nella riga 1, colonna 1 posizione di ogni bene per facilitare l'orientamento della matrice.
    NOT: Per garantire dati affidabili, vengono utilizzati un totale di 14-15 repliche di ogni ECM. Includere repliche aggiuntive di collagene o di un altro ECM che produce un robusto attaccamento per la valutazione dell'uniformità della legatura. Il layout potrebbe dover utilizzare più lastre di 384 pozze a seconda del numero di ECC di interesse.
  2. Trasferire i tubi EPM a un gestore liquido, mantenendo i tubi a 4 gradi centigradi con un rack di tubi raffreddati o utilizzando un robot per la movimentazione del liquido situato in una stanza fredda.
  3. Utilizzando il software del gestore liquido, eseguire un programma per trasferire 15 l- di ogni EPM e il fiducialo ai pozzi predesignati all'interno delle 384-well targhe di origine.
  4. Pipet PBS in qualsiasi pozzi inutilizzati per aumentare l'umidità e proteggere contro la disidratazione durante il processo di stampa.
    NOT: Vedere Figura 2 per un esempio di un set di piastra di origine 384-well che è ottimizzato per una testa di pin 4 x 7 e include un collagene I blocco e PBS.
  5. Sigillare le lastre e tenere a 4 gradi centigradi fino a quando non è pronto per la stampa.

4. Stampa meMBR utilizzando un robot di stampa array

NOT: La parte seguente del protocollo descrive specificamente la preparazione e l'uso di MEMA per studiare l'impatto di diverse proteine microambientali sulla crescita e la proliferazione delle cellule MCF7. Tuttavia, il protocollo può essere facilmente adattato per utilizzare diversi ligando, EMM e cellule per studiare altre linee cellulari e punti finali di interesse.

  1. Utilizzando una stampante touch pin, stampare EPM e punti fiduciari in 8 lastre di pozzo. Stampare più repliche di ogni condizione ECM per garantire la riproducibilità.
    NOTA:
    per ottenere una formazione ottimale dei punti è possibile utilizzare altri formati di lamiera o diapositive, ma potrebbe essere necessaria l'ottimizzazione del buffer per ottenere una formazione ottimale dei punti.
    1. Stampare gli ECU per il MEMA utilizzando perni di 350 m di diametro disposti in una configurazione della testina di stampa 4 x 7. Stampare le matrici nelle lastre 8-well come 20 colonne per 35 righe, per un totale di 700 punti. Array più grandi sono possibili in queste piastre, ma sono dotati di un compromesso di maggiori effetti di bordo sia in legare cellulare e colorazione.
  2. Dopo la stampa, conservare le lastre in un desiccatore per un minimo di 3 giorni prima dell'uso.

5. Creazione di piastre di trattamento ligando

  1. Progetta un layout a lamiere da 96 po' che include i ligandi di interesse. Per facilitare il trattamento di molte piastre MEMA contemporaneamente, progettare questa piastra con spaziatura che consente l'uso di un tubo multicanale con 4 punte distanziate per trasferire liquidi tra i pozzi di 8-well MEMA e una piastra di 96 pozzetti.
    NOT: In questo protocollo viene utilizzato il set completo di ligandi elencati nella tabella 2.
  2. Scongela i ligogi sul ghiaccio. Brevemente scorrere e girare verso il basso ogni tubo.
  3. Diluire i ligandi a un magazzino di lavoro 200x utilizzando il buffer consigliato dal produttore (in genere PBS).
  4. Tubo 10 l di ogni 200x ligand brodo nel pozzo corrispondente all'interno della piastra 96-pozze.
  5. Sigillare e conservare le piastre a -20 gradi centigradi.
    NOT: Crea piastre di trattamento del ligando in lotti, catturando tutti i metadati per l'analisi a valle.

6. Coltivare le cellule sulle MEMA

  1. Bloccare meME per 20 min con 2 mL per pozzo di buffer di blocco non incrostato contenente 1% agente di blocco non incrostazione (Tabella dei materiali) in acqua a doppia distillazione (ddH2O).
  2. Aspirati buffer di blocco e triplo risciacquo pozzi con PBS. Per evitare l'idratazione, lasciare il volume finale di PBS in pozze fino a quando non è pronto per la placcatura cellulare.
    NOT: È estremamente utile avere due bench worker per le fasi di coltura cellulare sulle MEMA. Un banco può eseguire passaggi di aspirazione, mentre il secondo esegue passaggi di addizione. Si consiglia di utilizzare un pipet multicanale da 1 mL con punte distanziate per abbinare la piastra di 8 pozzetti per la pipettatura e uno splitter Y con due pipette Pasteur per aspirare più pozzi contemporaneamente.
  3. Seme 2 x 105 cellule MCF7 per pozzo in 2 mL del mezzo medio di Eagle (DMEM) modificato di Dulbecco contenente il 10% di siero bovino fetale (FBS).
    NOT: Prima di un esperimento MEMA completo, eseguire un esperimento di titolazione cellulare per ottimizzare il numero di celle in modo che i punti MEMA abbiano numeri di cella elevati (ma non siano confluenti) alla fine della durata sperimentale desiderata.
  4. Dopo 2-18 h di adesione, aspirare medio e sostituire con 2 mL di mezzo a crescita ridotta (DMEM con 0.1% FBS).
    NOT: Siero ridotto (ad esempio, 0,1% FBS) o condizioni di esaurimento del fattore di crescita in questo momento può essere utilizzato per isolare l'impatto stimolatore di specifici ligandi.
  5. Scongelare una piastra di trattamento del ligando sul ghiaccio. Centrifuga scongelata piastra a 200 x g per 1 min.
  6. Trasferire 200 l di mezzo da ogni pozzo nella piastra di coltura al pozzo appropriato nella piastra di trattamento. Pipet su e giù per mescolare il volume di ligando con medio e trasferire questa miscela di nuovo al pozzo appropriato nella piastra MEMA.
  7. Roccia leggermente a mano e riportando le lastre MEMA all'incubatrice. Coltura per la durata dell'esperimento in presenza della combinazione ligand/ECM a 37 e 5% di CO2.
    NOT: Un tipico esperimento MEMA dura 72 h; esperimenti di maggiore durata possono richiedere la sostituzione del mezzo e il ritrattamento con legamento.
  8. Pulse MEMA pozzi a 71 h con 100x 5-ethynyl-2'-deoxyuridina (EdU) per una concentrazione finale di 10 M. Incubare in condizioni sperimentali con EdU per 1 h a 37 s C e 5% CO2.
    NOT: Altri trattamenti con cellule vive possono anche essere utilizzati in questo momento.

7. Fissaggio e colorazione delle MEMA

  1. Dopo 72 h e tutti i trattamenti a cellule vive, aspirate pozzi. Fissare MEMAs in 2 mL per pozzo di 2% paraformaldeide (PFA) per 15 min a RT.
  2. AspiraTo PFA. Permeabilizzare con 2 mL per pozzo dello 0,1% surfactant nonionico per 15 min.
  3. Aspirata il surfactant nonionico e lavare con 2 mL per pozzetto di PBS. PbS di Aspirate. Lavare con 2 mL di PBS con 0,05% di polisoromatto 20 (PBS-T).
    NOT: La superficie MEMA è idrofobica, e il mancato lavaggio con PBS-T prima dell'incubazione di macchie e anticorpi comporterà la formazione di vuoti nei pozzi durante le fasi di incubazione e darà origine a manufatti di colorazione.
  4. Aspira TOPB-T. Aggiungere reagenti di reazione di rilevamento EdU. Incubare per 1 h a RT, a dondolo e protetto dalla luce. Dopo 1 h incubazione, spegnire la reazione con il buffer di slittamento commerciale fornito.
    NOT: Il rilevamento EdU e la colorazione/anticorpo possono essere eseguiti in 1,5 mL per pozzo per ridurre i costi.
  5. Aspirare il tampone di tintura e lavare con PBS-T prima dell'incubazione con macchie o anticorpi.
  6. Incubare pozzi MEMA con anticorpi contro l'istone H3K9me3 (1:1,000) e fibrillarin (1:400) in buffer di colorazione contenente 2% (w/v) siero albumina bovina (BSA), 1 mM MgCl2 e 0.02% NaN3 per la notte a 4 gradi centigradi.
    NOT: Eseguire titrations anticorpale per determinare le concentrazioni ottimali prima di utilizzarle su un set MEMA completo.
  7. Dopo l'incubazione primaria di anticorpi o macchie, lavare i pozzi 2x con PBS e una volta con PBS-T.
  8. Aggiungere gli anticorpi secondari (IgG anti-tono d'asino e IgG anti-coniglio d'asino, entrambi 1:300) e 0,5 g/mL 4' 6-diamidino-2-fenillindole (DAPI). Incubare per 1 h a RT al buio.
  9. Lavare i pozzi 2x con 2 mL per pozzetto di PBS, lasciandoli negli ultimi 2 mL PBS.
  10. Procedere con l'imaging o conservare i MEMA macchiati per l'imaging successivo in PBS a 4 gradi centigradi protetti dalla luce.

8. Imaging di MEMA

  1. Immagine MEMA su un sistema di imaging automatizzato con canali di rilevamento fluorescente appropriati.
  2. Output dei dati immagine risultanti in un sistema di gestione delle immagini. Segmentare le celle e calcolare i livelli di intensità utilizzando CellProfiler8.

9. Analisi dei dati

NOT: L'analisi dei dati consiste nella normalizzazione, nella correzione delle variazioni e nel riepilogo dei dati derivati di CellProfiler non elaborati. In questo caso, l'ambiente R con codice personalizzato viene utilizzato per eseguire tutti i passaggi. Tuttavia, qualsiasi ambiente statistico o programma software può essere utilizzato per eseguire le azioni equivalenti. Un esempio del codice personalizzato open source per l'ambiente R per l'analisi è disponibile all'indirizzo: https://www.synapse.org/#!Synapse:syn2862345/wiki/72486.

  1. Pre-elaborare e normalizzare i dati immagine segmentati.
  2. Determinare il numero di cellule spot utilizzando i nuclei macchiati DAPI.
  3. Intensità EdU auto-gate per etichettare le celle come EdU. Misurare la proliferazione utilizzando la proporzione di cellule EdU in ogni punto.
  4. Mediani riassumono le macchie citoplasmatiche e le misurazioni della morfologia nucleare a livello spot.
  5. Eseguire la rimozione della normalizzazione delle variazioni indesiderate (RUV) sui dati per migliorare la qualità dei dati9.
    NOT: Questo approccio viene applicato a ogni segnale di intensità e morfologia in modo indipendente come matrice con matrici che utilizzano le righe e le macchie come le colonne come descritto in precedenza9.
  6. Applicare la normalizzazione di bivariate loess ai residui normalizzati RUV utilizzando la riga della matrice e la colonna della matrice come variabili indipendenti per correggere gli effetti spaziali o correlati all'intensità.
  7. Una volta completata la normalizzazione, la mediana riepiloga le repliche per ogni condizione di microambiente per la creazione di report e un'ulteriore analisi.

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Representative Results

Per semplificare gli impatti microambientali sulla crescita e la proliferazione delle cellule e per identificare le condizioni che hanno promosso o inibito la crescita e la proliferazione cellulare, la linea cellulare del cancro al seno MCF7 è stata seminata su una serie di otto MEMA con 8 carri come descritto nel protocollo. Questo test ha esposto le cellule a 48 diversi EPER e 57 diversi ligandi, per un totale di 2736 condizioni microambientali combinatori. Dopo 71 h in coltura, le cellule sono state pulsate con EdU, fisso, permeablizzato e macchiato con DAPI, la reazione per il rilevamento EdU, un anticorpo anti-fibrillina, e un anticorpo anti-H3K9me3. Le cellule sono state immagini in un microscopio ad alto contenuto. Le immagini sono state caricate su un server Omero10, segmentate utilizzando CellProfiler8e normalizzate e analizzate in R9. I risultati descritti di seguito si concentrano sui segnali DAPI ed EdU.

La piattaforma di analisi delle immagini dei MEMA produce alcuni risultati simili a quelli disponibili dagli approcci di citometria di flusso, come i grafici del contenuto del DNA che mostrano frazioni 2N e 4N per le cellule trattate con un determinato ligando (Figura 3A), in base al DAPI l'intensità e l'area. Questi complotti forniscono prove per le condizioni che promuovono il ciclismo cellulare attivo rispetto a quanto indicato da picchi bimodali chiari corrispondenti alle cellule nelle fasi G1 o G2 rispetto alle cellule arrestate di crescita, che mostrerebbero cambiamenti nei picchi rispetto alle condizioni di controllo. Utilizziamo il numero di cella e i dati sull'intensità delle macchie per riepilogare i dati, dove l'impatto del microambiente (legature su un asse, ECM sul secondo asse) su entrambi i numeri di cella (Figura 3B) e l'incorporazione di EdU (Figura 3C) possono essere più facilmente visti come cambiamenti nel colore e nell'intensità della mappa termica. Come si è visto da questi appezzamenti, molti degli effetti sono ligando-driven, come la condizione ECM non ha fortemente impatto numero di cella o positività EdU. Nidogen-1 è una chiara eccezione, poiché la presenza di questa molecola ECM inibisce il legame cellulare e la crescita di MCF7. I ligandi come f.FGF6 e NRG1 (NRG1.1 su appezzamenti) migliorano il numero di cellule e hanno alti tassi di incorporazione EdU, mentre i ligandi come AREG e NRG1-smdf (NRG1.10 su lotti) inibiscono l'associazione cellulare e/o la crescita delle cellule. Questi risultati sono supportati dalle immagini delle cellule che crescono sui punti, dove è evidente una netta differenza nel numero di cellule e nella positività dell'EdU (vedere l'esempio in Figura 3D).

Poiché la piattaforma MEMA è una tecnologia più recente, i risultati sono stati convalidati in analisi separate. Le cellule MCF7 sono state semiate in 24 lastre di benessere rivestite con collagene I nel mezzo DMEM con 10% FBS. Dopo 18 h, i media sono stati scambiati per un mezzo di crescita ridotto (DMEM con 0,1% FBS) e le cellule sono state trattate con NRG1, FGF6 o AREG e coltivate per 72 h. EdU è stato aggiunto 1 h prima della fissazione. Le cellule sono state macchiate con DAPI e per l'incorporazione, l'immagine, la segmentazione e l'analisi di EdU. Analogamente ai risultati ottenuti dalla piattaforma MEMA, la FGF6 e la NRG1 hanno dato luogo a numeri di cella più elevati (Figura 4A) e tassi di incorporazione EdU (Figura 4B) rispetto alle cellule trattate areG, convalidando le nostre osservazioni in gli esperimenti MEMA originali.

Figure 1
Figura 1 : diagramma di flusso che mostra il flusso di lavoro e la sequenza temporale per le diverse fasi di un tipico esperimento MEMA. Una volta stampati, i MEMA possono essere conservati a temperatura ambiente desiccati per diversi mesi prima dell'uso. Tipicamente, la fase sperimentale dura 3/4 giorni, ma alcune cellule primarie a crescita lenta sono state coltivate su MEMA per un massimo di 2 settimane. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : layout della lastra di origine ECM per la stampa di array. Il blocco di collagene viene stampato su MEMA come griglia, che fornisce una serie altamente ripetitiva di condizioni che consentono una normalizzazione più robusta tra i pozzi. I pozzetti riempiti con PBS forniscono umidità per aiutare nella prevenzione dell'evaporazione durante il processo di stampa. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Esempi di dati generati da un tipico esperimento MEMA. (A) Profili del ciclo cellulare dei valori di intensità DAPI collocati rispetto ai conteggi cellulari da una piastra di 8 pozzetti trattata con diversi ligandi, mostrando un'intensità DAPI bifasica che indica le cellule nella fase del ciclo cellulare G1 rispetto alla fase del ciclo cellulare G2. (B) Mappa di calore che mostra conteggi di celle spot normalizzate raggruppate per somiglianza utilizzando il clustering gerarchico. Il rosso indica un numero di cella più alto e il numero di cella blu è il numero di cella inferiore. I ligandi sono sull'asse x, gli EMM sono sull'asse y. (C) Mappa di calore che mostra l'incorporazione EdU normalizzata, con il rosso che indica un'incorporazione EdU inferiore. I ligandi sono sull'asse x, gli EMM sono sull'asse y. (D) Esempio di cellule MCF7 in crescita su uno spot MEMA trattato con NRG1-z che mostra alti tassi di incorporazione EdU (nuclei rosa). La macchia verde è la maschera per le cellule e il blu è DAPI. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : la convalida di MEMA determina la coltura cellulare. (A) Quantificazione del numero di cellule risultante dal trattamento di MCF7 con diversi ligandi. Un numero equivalente di cellule MCF7 è stato placcato in piastre multiwall e poi trattato con AREG, FGF6 o NRG1. I pozzi trattati con AREG avevano un numero significativamente inferiore di cellule rispetto a quelle trattate con FGF6 (sezione indicazione dei valori p di test t dello studente inferiori a 0,01) o NRG1 (- indica un valore p di 0,05) a 72 h dopo il trattamento del ligando. (B) Quantificazione del livello di incorporazione di EdU in MCF7 a causa di trattamento con diversi ligandi, come nel pannello A. Il trattamento AREG comporta una percentuale significativamente inferiore di cellule che incorporano EdU rispetto alle cellule trattate con FGF6 (Sezione PF6 (,p < 0,01) o NRG1 (NRG1 ). Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nome proteina ID Uniprot merce
concentrazione
(G/mL)
ultimo
concentrazione
(G/mL)
ANGPT1 Q15389 100 del sistema 0,04 (in linguaggio da 20>:
ANGPT2 O151231 100 del sistema 0,2 0,2
AREG P15514 100 del sistema 0,02 (in linguaggio 02)
BMP2 P12643 100 del sistema 0.1 0
BMP3 P12645 1000 0.1 0
BMP4 P12644 100 del sistema 0.1 0
BMP5 P22003 100 del sistema 0.1 0
BMP6 (in inglese) P22004 100 del sistema 0.1 0
BMP7 P18075 100 del sistema 0.1 0
CsF2 (informazioni in base alla prima proprietà) P04141 100 del sistema 0,02 (in linguaggio 02)
CTGF 1 P29279 100 del sistema 0,05 (in via di sin.
CXCL12 alfa m inv f inv P48061-2 100 del sistema 0,01
CXCL12 Beta P48061 100 del sistema 0,03 (in vi estati)
CXCL1 (in modo intasato) P09341 100 del sistema 0.004 (in questo 04)
CXCL8 P10145 100 del sistema 0.3 0.3
DLL1-1 O00548 500 0,5 0,5
DLL4 Q9NR61 200 anni 0,6 (in inglese)
L'EGF 1 P01133 500 0,01
FASLG 1 P48023 10 del sistema 0,02 (in linguaggio 02)
FGF2 -3 P09038-2 100 del sistema 0,01
FGF6 P10767 100 del sistema 0,01
FLT3LG P4977111 50 anni 0.001 (intito)
GRUPPO DI gruppo 1 Q14956 100 del sistema 0,5 0,5
HGF 1 P14210 50 anni 0,04 (in linguaggio da 20>:
IGF1 1 P05019 200 anni 0,01
IGFBP2 P18065 100 del sistema 0,05 (in via di sin.
IGFBP3 P17936 100 del sistema 0.1 0
IL13 (in uso) P35225 100 del sistema 0,01
IL15 IL15S48AA P40933 50 anni 0,01
IL1B (ilminfa a i m P01584 25 mi lato 0.001 (intito)
IL6 (in inglese) P05231 100 del sistema 0,01
IL7 P13232 100 del sistema 0,01
IL sistema DI controllo DI SISTEMA P78504 200 anni 0,5 0,5
IL file JAG2 lungo Q9Y219 100 del sistema 0,5 0,5
KITLG 1 P21583 100 del sistema 0,005 (in questo da 20>)
KNG1 HMW P01042 100 del sistema 0,2 0,2
Lep P41159 1000 0.002 (in 3:0)
LVE1 Q9Y5Y7 100 del sistema 0,05 (in via di sin.
NRG1-10 Q02297 100 del sistema 0,01
NRG1 Q02297 100 del sistema 0,05 (in via di sin.
NRG1-6 Q02297 100 del sistema 0,01
PDGFAB go1990265 100 del sistema 0,05 (in via di sin.
PDGFB 1 P01127 100 del sistema 0,05 (in via di sin.
Ptn P21246 100 del sistema 0,5 0,5
Shh Q15465 100 del sistema 0,5 0,5
TGFB1 Cterminus P01137 Cterminus 20 anni 0,01
TGFB1 Giro P01137 Giro 100 del sistema 0.15
TGFB2 un P61812 20 anni 0,01
IL TPO 1 P40225 50 anni 0.002 (in 3:0)
TNFRSF11B O00300 100 del sistema 0,02 (in linguaggio 02)
TNFSF11 O14788 100 del sistema 0,01
Tnf P01375 100 del sistema 0,01
VEGFA VEGF206 P15692 100 del sistema 0,01
WNT10A Q9G-T5 100 del sistema 0.1 0
WNT3A 1 P56704 200 anni 0.1 0
Wnt5a 1 P22725 100 del sistema 0.1 0

Tabella 1: L'elenco completo dei ligandi utilizzati per gli esperimenti MEMA. Vengono forniti l'ID uniprot, le concentrazioni di scorte e le concentrazioni di lavoro finali.

Proteine ECM UniprotID Concentrazione delle scorte
(G/mL)
ultimo
concentrazione
(G/mL)
Note
ALCAM 1 Q13740 100 del sistema 30 milio
CDH20 (in questo caso) Q9HBT6 300 80
CDH6 P55285 100 del sistema 40 anni (
CDH8 (in questo caso) P55286 100 del sistema 20 anni
CD44 P16070 100 del sistema 30 milio
CEACAM6 P40199 100 del sistema 30 milio
COL1A1 P02453 5000 200 anni più sottounità con più ID uniprot
COL2A1-2 P02458-2 1000 200 anni
COL3A1 P02461 1000 200 anni
COL4A1 P02462 1000 200 anni più sottounità con più ID uniprot
COL5A1 P20908 (informazioni in stato in e 1000 200 anni
COL23A11 Q86Y22 200 anni 80
DSG2 Q14126 100 del sistema 30 milio
CDH1 P12830 100 del sistema 40 anni (
ECM11 Q16610 100 del sistema 40 anni (
Tasto FN1 P02751 1000 200 anni
GAP43 P17677 158 del sistema 40 anni (
HyA-500K 1000 200 anni LOR-0005
HyA-50K 1000 200 anni LOR-0007
ICAM1 P05362 400 80
ALCAM 1 Q13740 100 del sistema 30 milio
CDH20 (in questo caso) Q9HBT6 300 80
CDH8 (in questo caso) P55286 100 del sistema 20 anni
CD44 P16070 100 del sistema 30 milio
CEACAM6 P40199 100 del sistema 30 milio
DSG2 Q14126 100 del sistema 30 milio
CDH15 (in modo non instato) P55291 100 del sistema 20 anni
VCAM1 P19320 1000 200 anni
LAMA1 P25391 500 200 anni più sottounità con più ID uniprot
LAMA3-2 Q16787 130 del sistema 40 anni (
Lum P51884 200 anni 80
CDH15 (in modo non instato) P55291 100 del sistema 20 anni
NID111 P14543 100 del sistema 9,3 g/mL Nid, 130 g/mL Lam, 46,5 g/mL COL4 COL4 e laminina
OMD Q99983 100 del sistema 40 anni (
SPP1 un P10451 100 del sistema 40 anni (
CDH3 P22223 100 del sistema 40 anni (
PECAM1 lungo P16284 150 anni 40 anni (
TNC 1 (TNC) P24821 500 200 anni
VCAM1 P19320 1000 200 anni
Vtn P04004 100 del sistema 40 anni (
Bgn P21810 (in via p21810) 100 del sistema 40 anni (
DCN un P07585 300 80
POSTN 1 Q15063 100 del sistema 40 anni (
Sparc P09486 100 del sistema 40 anni (
TBS11 P07996 100 del sistema 40 anni (
BCAN 1 Q96GW7 100 del sistema 40 anni (
ELN-3 P15502 1000 200 anni
FBN1 P35555 254 80

Tabella 2: L'elenco completo delle proteine ECM e delle condizioni utilizzate negli esperimenti MEMA. Vengono forniti l'ID uniprot, le concentrazioni di scorte e le concentrazioni di lavoro finali. In alcuni casi, la condizione stampata rappresenta un complesso proteico o una combinazione di più proteine, che è indicato nella colonna Note.

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Discussion

L'importanza della "dimensionalità" e del contesto è stata un fattore motivante nello sviluppo di sistemi di coltura in vitro come strumenti nella caratterizzazione delle cellule tumorali attraverso la loro interazione con il microambiente11,e la capacità di in vitro sistemi di coltura per imitare l'ambiente in vivo è una forza trainante dietro la ricerca di migliorare quei sistemi di coltura. I sistemi in vitro, tuttavia, rimangono strumenti significativi di ricerca sul cancro proprio a causa della loro capacità di distillare la complessa situazione in vivo fino a un modello semplificato12.

Anche se i sistemi 2D possono includere ECM e ligando, hanno tradizionalmente mancato le capacità di throughput per interrogare un ampio pannello di pertubageni combinatori. Estratti di membrana sotterranea commerciale popolari consentono la coltura in 3D, ma mancano la provenienza di un pannello di proteine accuratamente definito. Gli estratti commerciali in genere soffrono di composizione incompletamente definita, che può confondere l'analisi e provocare una significativa variazione batch-to-batch3,13. La piattaforma MEMA supera queste barriere, consentendo lo studio delle alterazioni dei fenotipi cellulari, dell'attività metabolica, dello stato di differenziazione e delle variazioni nella crescita e nella proliferazione delle cellule in quanto sono modulate da endogeni specifici e definiti Fattori.

La piattaforma MEMA è un approccio potente, medio-alto,velocità per valutare l'impatto del microambiente (fattori ECM e solubili) sul fenotipo delle cellule. La piattaforma mostra grande flessibilità per i tipi di saggi e celle per i quali può essere utilizzata. Possiamo osservare gli effetti sia dai ligandi solubili che dalle proteine ECM a cui sono esposte le cellule. Infatti, recentemente abbiamo scoperto che i ligandi erano un importante fattore di resistenza agli inibitori mirati HER2, ma che questi effetti potrebbero essere modulati dall'ECM5. Una varietà di cellule, tra cui cellule primarie e cellule derivate da diversi tipi di cellule, tra cui polmone, vescica, prostata, seno e pancreas, nonché cellule staminali pluripotenti indotte (iPS), sono state coltivate con successo sulla piattaforma MEMA (vedi esempi nei riferimenti5,7,14). L'uso di diverse macchie consente la lettura di più endpoint cellulari, tra cui la crescita cellulare, differenziazione, e metabolismo. Altri ricercatori hanno esteso la piattaforma per interrogare l'impatto della rigidità o del modulo elastico, aggiungendo una dimensione aggiuntiva alla piattaforma MEMA15. Infine, la piattaforma è suscettibile di eseguire schermi di farmaci per l'identificazione di condizioni di microambiente che migliorano o inibiscono l'efficacia del farmaco, come abbiamo recentemente riportato5,14,15 .

Forse il passo più importante per il successo di un esperimento MEMA è ottimizzare la densità di placcatura cellulare. L'ottimizzazione della densità delle cellule garantisce la presenza di un numero sufficiente di celle per fornire dati affidabili, ma non così tante che il punto diventa eccessivamente confluente. Le macchie confluenti possono confondere significativamente i risultati, in particolare se la proliferazione viene utilizzata come endpoint, rendendo impossibile determinare se bassi tassi di proliferazione sono il risultato di interazioni con fattori microambientali o a causa di inibizioni di contatto da alta densità cellulare. Gli esperimenti di titolazione cellulare possono rivelare questi problemi, poiché il numero medio di cellule per posto dimostrerà un aumento lineare con un numero crescente di cellule placcate, ma alla fine plateau. Il numero di cella ottimale deve essere scelto nell'intervallo lineare della curva.

Come accennato in precedenza, la piattaforma MEMA è flessibile e può essere preparata su una varietà di substrati con diverse superfici. Questi includono vetrini in vetro e formati di lastra multiwall. Nella nostra esperienza, non tutte le chimiche di superficie sono suscettibili alla stampa MEMA, come abbiamo osservato il distacco spot su alcune superfici a causa di scarse proprietà di adesione e l'incapacità di bloccare l'adesione cellulare su altre superfici ad alta adesione. Inoltre, il passaggio tra i diversi substrati richiede l'ottimizzazione delle condizioni del buffer, in quanto le prestazioni della stampa con lo stesso buffer di stampa possono variare a seconda della chimica della superficie.

Il diametro degli spot ECM stampati svolge un ruolo importante nella qualità dei dati. In generale, si consiglia di utilizzare i perni di stampa di diametro maggiore disponibili per l'arrayer in uso (attualmente utilizziamo perni di 350 m di diametro). Le macchie di diametro maggiori consentono a un maggior numero di celle di occupare un punto, il che tende a dare risultati a dati più robusti rispetto a quelli generati con perni di diametro più piccolo. Poiché il legame delle celle è un processo stocastico, i dati sono correlati al numero di celle originariamente attaccate a ciascun punto. Pertanto, si consiglia di stampare un numero elevato di repliche per ogni condizione ECM. Stampiamo repliche ECM da 10 a 15 in ogni pozzo con le nostre attuali condizioni di stampa per garantire statistiche solide.

Abbiamo notato nei nostri esperimenti passati che, per la maggior parte, gli effetti del ligando tendono a dominare gli effetti ECM. Questo può essere in parte dovuto alla nostra decisione di aggiungere collagene I a tutti gli spot ECM, che garantisce una robusta legame cellulare. Tuttavia, crediamo che questo possa anche omogeneizzare gli effetti ECM, poiché la maggior parte delle macchie tende a comportarsi in modo molto simile al collagene I. Alterare la composizione spot per escludere il collagene posso provocare un comportamento differenziale delle cellule come risultato dell'interazione con il ECM, ma influisce anche in modo significativo sull'associazione cellulare, con conseguente molti più punti non occupati. Gli utenti dovrebbero personalizzare la loro composizione ECM tenendo presenti queste differenze, in particolare quelle interessate alle cellule staminali e progenitrici e alla differenziazione, dove la matrice può avere un impatto significativo16.

In genere eseguiamo i saggi MEMA per periodi di tempo relativamente brevi (ad esempio, 72 h massimo). Questo perché le celle sono vincolate alle macchie (il buffer di blocco non consente la crescita al di fuori dei punti nella nostra esperienza). Con la rapida divisione delle cellule, la crescita più lunga di 72 h porterà a una crescita eccessiva dello spot, che a sua volta complica la segmentazione dell'immagine man mano che le cellule si affollano e si accumulano l'una sull'altra, e può anche avere un impatto sui dati in quanto l'arresto della crescita può verificarsi con l'inibizione del contatto. Abbiamo eseguito trattamenti più lunghi con cellule primarie a crescita molto lenta (10-14 giorni), ma bisogna fare attenzione a questi saggi per cambiare i media e ricostituire i ligandi ogni 3/4 giorni.

Gli sforzi continui per sviluppare la piattaforma MEMA si concentrano su due aree di interesse, massimizzando la qualità ottica per l'imaging e l'ottimizzazione all'interno di vasi di coltura più piccoli. La qualità ottica diventa un fattore cruciale quando i ricercatori richiedono una microscopia ad alta risoluzione per identificare la localizzazione subcellulare dei loro marcatori di interesse. Gli schermi iniziali possono essere eseguiti a bassa risoluzione su microscopi ad alta velocità seguita dall'imaging di punti di interesse specifici su strumenti ad alta risoluzione, ma la qualità dell'immagine può essere compromessa se le proprietà ottiche del substrato sono scarse. Il miglioramento delle proprietà ottiche del substrato consentirebbe ai ricercatori di eseguire gli schermi iniziali su sistemi di imaging ad alta risoluzione senza la necessità di riacquisire le immagini selezionate a risoluzione più elevata. Infine, la capacità di eseguire MEMA in vasi a coltura più piccoli, come le lastre di 96 pozze, consentirebbe una riduzione del volume di trattamento e un'espansione dei ligandi e delle repliche interrogati. Questa transizione richiede l'ottimizzazione delle interazioni substrato-buffer-proteina e la stampa di array all'interno di nuovi vasi di coltura. Tali sforzi in corso miglioreranno la piattaforma MEMA e amplieranno le sue potenti capacità per identificare le proteine microambientali rilevanti che alterano i fenotipi cellulari per una varietà di tipi di cellule, che possono essere successivamente studiate in saggi confermativi.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato dalla sovvenzione HG008100 (J.W.G., L.M.H.) niH Common Fund Library of Network Cellular Signatures (LINCS).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aushon 2470 Aushon BioSystems Arrayer robot system used in the protocol
Nikon HCA Nikon High Content Imaging system designed around Nikon Eclipse Ti Inverted Microscope
BioTek Precision XS liquid Handler BioTek liquid handling robot used in the protocol
Trizma hydrochloride buffer solution Sigma T2069
EDTA Invitrogen 15575-038
Glycerol Sigma G5516
Triton X100 Sigma T9284
Tween 20 Sigma P7949
Kolliphor P338 BASF 50424591
384-well microarray plate, cylindrical well Thermo Fisher ab1055
Nunc 8 well dish Thermo Fisher 267062
Paraformaldehyde 16% solution Electron Microscopy Science 15710
BSA Fisher BP-1600
Sodium Azide Sigma S2002
Cell Mask Molecular Probes H32713
Click-iTEdU Alexa Fluor Molecular Probes C10357
DAPI Promo Kine PK-CA70740043
ALCAM R & D Systems 656-AL ECM
Cadherin-20 (CDH20) R & D Systems 5604-CA ECM
Cadherin-6 (CDH6) R & D Systems 2715-CA ECM
Cadherin-8 (CDH8) R & D Systems 188-C8 ECM
CD44 R & D Systems 3660-CD ECM
CEACAM6 R & D Systems 3934-CM ECM
Collagen I Cultrex 3442-050-01 ECM
Collagen Type II Millipore CC052 ECM
Collagen Type III Millipore CC054 ECM
Collagen Type IV Sigma C5533 ECM
Collagen Type V Millipore CC077 ECM
COL23A1 R & D Systems 4165-CL ECM
Desmoglein 2 R & D Systems 947-DM ECM
E-cadherin (CDH1) R & D Systems 648-EC ECM
ECM1 R & D Systems 3937-EC ECM
Fibronectin R & D Systems 1918-FN ECM
GAP43 Abcam ab114188 ECM
HyA-500K R & D Systems GLR002 ECM
HyA-50K R & D Systems GLR001 ECM
ICAM-1 R & D Systems 720-IC ECM
Laminin Sigma L6274 ECM
Laminin-5 Abcam ab42326 ECM
Lumican R & D Systems 2846-LU ECM
M-Cad (CDH15) R & D Systems 4096-MC ECM
Nidogen-1 R & D Systems 2570-ND ECM
Osteoadherin/OSAD R & D Systems 2884-AD ECM
Osteopontin (SPP) R & D Systems 1433-OP ECM
P-Cadherin (CDH3) R & D Systems 861-PC ECM
PECAM1 R & D Systems ADP6 ECM
Tenascin C R & D Systems 3358-TC ECM
VCAM1 R & D Systems ADP5 ECM
Vitronectin R & D Systems 2308-VN ECM
Biglycan R & D Systems 2667-CM ECM
Decorin R & D Systems 143-DE ECM
Periostin R & D Systems 3548-F2 ECM
SPARC/osteonectin R & D Systems 941-SP ECM
Thrombospondin-1/2 R & D Systems 3074-TH ECM
Brevican R & D Systems 4009-BC ECM
Elastin BioMatrix 5052 ECM
Fibrillin Lynn Sakai Lab OHSU N/A ECM
ANGPT2 RnD_Systems_Own 623-AN-025 Ligand
IL1B RnD_Systems_Own 201-LB-005 Ligand
CXCL8 RnD_Systems_Own 208-IL-010 Ligand
IGF1 RnD_Systems_Own 291-G1-200 Ligand
TNFRSF11B RnD_Systems_Own 185-OS Ligand
BMP6 RnD_Systems_Own 507-BP-020 Ligand
FLT3LG RnD_Systems_Own 308-FK-005 Ligand
CXCL1 RnD_Systems_Own 275-GR-010 Ligand
DLL4 RnD_Systems_Own 1506-D4-050 Ligand
HGF RnD_Systems_Own 294-HGN-005 Ligand
Wnt5a RnD_Systems_Own 645-WN-010 Ligand
CTGF Life_Technologies_Own PHG0286 Ligand
LEP RnD_Systems_Own 398-LP-01M Ligand
FGF2 Sigma_Aldrich_Own SRP4037-50UG Ligand
FGF6 RnD_Systems_Own 238-F6 Ligand
IL7 RnD_Systems_Own 207-IL-005 Ligand
TGFB1 RnD_Systems_Own 246-LP-025 Ligand
PDGFB RnD_Systems_Own 220-BB-010 Ligand
WNT10A Genemed_Own 90009 Ligand
PTN RnD_Systems_Own 252-PL-050 Ligand
BMP3 RnD_Systems_Own 113-BP-100 Ligand
BMP4 RnD_Systems_Own 314-BP-010 Ligand
TNFSF11 RnD_Systems_Own 390-TN-010 Ligand
CSF2 RnD_Systems_Own 215-GM-010 Ligand
BMP5 RnD_Systems_Own 615-BMC-020 Ligand
DLL1 RnD_Systems_Own 1818-DL-050 Ligand
NRG1 RnD_Systems_Own 296-HR-050 Ligand
KNG1 RnD_Systems_Own 1569-PI-010 Ligand
GPNMB RnD_Systems_Own 2550-AC-050 Ligand
CXCL12 RnD_Systems_Own 350-NS-010 Ligand
IL15 RnD_Systems_Own 247-ILB-005 Ligand
TNF RnD_Systems_Own 210-TA-020 Ligand
IGFBP3 RnD_Systems_Own 675-B3-025 Ligand
WNT3A RnD_Systems_Own 5036-WNP-010 Ligand
PDGFAB RnD_Systems_Own 222-AB Ligand
AREG RnD_Systems_Own 262-AR-100 Ligand
JAG1 RnD_Systems_Own 1277-JG-050 Ligand
BMP7 RnD_Systems_Own 354-BP-010 Ligand
TGFB2 RnD_Systems_Own 302-B2-010 Ligand
VEGFA RnD_Systems_Own 293-VE-010 Ligand
IL6 RnD_Systems_Own 206-IL-010 Ligand
CXCL12 RnD_Systems_Own 351-FS-010 Ligand
NRG1 RnD_Systems_Own 378-SM Ligand
IGFBP2 RnD_Systems_Own 674-B2-025 Ligand
SHH RnD_Systems_Own 1314-SH-025 Ligand
FASLG RnD_Systems_Own 126-FL-010 Ligand

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Smith, R., Devlin, K., Kilburn, D.,More

Smith, R., Devlin, K., Kilburn, D., Gross, S., Sudar, D., Bucher, E., Nederlof, M., Dane, M., Gray, J. W., Heiser, L., Korkola, J. E. Using Microarrays to Interrogate Microenvironmental Impact on Cellular Phenotypes in Cancer. J. Vis. Exp. (147), e58957, doi:10.3791/58957 (2019).

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