Questo protocollo descrive la generazione chirurgica di tumori pancreatici ortotopici e la rapida digestione di tumori pancreatici del murino appena isolati. Dopo la digestione, le popolazioni di cellule immunitarie vitali possono essere utilizzate per ulteriori analisi a valle, tra cui la stimolazione ex vivo delle cellule T per il rilevamento della citochina intracellulare mediante citometria di flusso.
I modelli in vivo del cancro al pancreas forniscono strumenti inestimabili per studiare le dinamiche della malattia, l’infiltrazione immunitaria e nuove strategie terapeutiche. Il modello murino ortotopico può essere eseguito su grandi coorti di topi immunocompetenti contemporaneamente, è relativamente poco costoso e conserva il microambiente tissutale cognato. La quantificazione dell’infiltrazione delle cellule T e dell’attività citototossica all’interno dei tumori ortotopici fornisce un indicatore utile di una risposta antitumorale.
Questo protocollo descrive la metodologia per la generazione chirurgica di tumori pancreatici ortotopici mediante iniezione di un basso numero di cellule tumorali singeniche risospese in 5 – la membrana del seminterrato direttamente nel pancreas. I topi che portano tumori ortotopici richiedono circa 30 giorni per raggiungere il punto finale, a quel punto i tumori possono essere raccolti ed elaborati per la caratterizzazione dell’attività delle cellule T che infiltrano tumori. La digestione enzimatica rapida con collagenasi e DNase consente di estrarre una sospensione unicellulare dai tumori. La vitalità e i marcatori di superficie cellulare delle cellule immunitarie estratte dal tumore sono conservati; pertanto, è appropriato per molteplici applicazioni a valle, tra cui lo smistamento delle cellule immunitarie assistite dal flusso per la coltura o l’estrazione dell’RNA, l’analisi della citometria del flusso delle popolazioni di cellule immunitarie. In questo caso, descriviamo la stimolazione ex vivo delle popolazioni di cellule T per la quantificazione intracellulare delle citochine (IFN e TNF) e l’attività di degranulazione (CD107a) come misura della citotossicità complessiva. I digerito del tumore intero sono stati stimolati con acetato di forno e ionomycina per 5 h, in presenza di anticorpi anti-CD107a al fine di upregolare la produzione di citochine e degranalazione. L’aggiunta di brefeldin A e monensina per gli ultimi 4 h è stata eseguita per bloccare il trasporto extracellulare e massimizzare il rilevamento di citochine. La colorazione extra- e intracellulare delle cellule è stata quindi eseguita per l’analisi della citometria di flusso, in cui è stata quantificata la percentuale di celluleIFN,TNFe CD107a eCD4 e CD8.
Questo metodo fornisce una base iniziale per eseguire un’analisi completa del microambiente tumorale.
Questo metodo descrive in dettaglio, dall’inizio alla fine, la procedura chirurgica per la generazione di tumori pancreatici ortotopici utilizzando una quantità minima di materiale cellulare e la successiva rapida dissociazione dei tumori stabiliti per l’analisi della citometria a flusso completa delle popolazioni di cellule immunitarie, compresa l’analisi ex vivo della funzione delle cellule T.
L’adenocarcinoma duttale pancreatico (PDAC) è un carcinoma aggressivo con solo l’8 % dei pazienti sopravvissuti 5 anni1. Poiché meno del 20 % dei pazienti ha diritto alla resezione chirurgica2,i campioni di pazienti freschi non sono facilmente accessibili per la ricerca e quindi i modelli in vivo forniscono strumenti essenziali per studiare questa malattia. Ci sono più modelli murini di PDAC: ortotopico, sottocutaneo, transgenico, endovenoso e paziente-derivato xenotrapianto (PDX), ampiamente descritto qui3. Il modello ortotopico qui descritto consente l’iniezione di cellule PDAC singeniche nel pancreas di topi immunocompetenti. Questo può essere eseguito in grandi coorti di topi selvatici o mutanti, e quindi fornisce un modello conveniente e coerente per il confronto di agenti terapeutici. È importante sottolineare che il modello ortotopico fornisce il microambiente cognato per la crescita delle cellule tumorali e metastatizza nelle nostre mani e altri4 a siti clinicamente rilevanti (ad esempio, fegato), rendendolo clinicamente più rilevante rispetto ai modelli subous o chimicamente indotti. I tumori ortotopici mostrano caratteristiche chiave del PDAC, come una forte reazione desmoplastica con un’abbondanza di fibroblasti e deposizione di matrice extracellulare5. I modelli transgenici del PDAC sono lo standard d’oro del modello murino e il più comunemente usato è il modello KPC, che esprime il modello mutante KrasG12D / e Trp53R172H / s sotto il pancreas-specifico Pdx-1-Cre promotore6. Ulteriori KPC e altri modelli PDAC in vivo sono recensiti qui7. I topi KPC sviluppano spontaneamente tumori pancreatici con una progressione della malattia che replica fedelmente le caratteristiche delPDAC6 umano . Tuttavia, come per tutti i modelli transgenici, il programma di allevamento è costoso, la progressione del tumore è variabile e quindi spesso richiede grandi coorti di topi. I modelli PDX utilizzano cellule tumorali derivate dal paziente o pezzi che vengono poi coltivati ortotopicamente o più spesso sottocutanei in topi immunocompromessi. I modelli di Xenotrapianto forniscono strumenti utili per lo screening di composti terapeutici e tengono conto dell’eterogeneità del paziente. Tuttavia, non forniscono un microambiente immunitario completo, limitando così le loro applicazioni8,9.
Una volta stabilito, tumori ortotopici in genere prendono circa 1 mese o più a crescere (a seconda della linea cellulare utilizzata) e formano grandi tumori che possono essere facilmente immagine da ultrasuoni o risonanza magnetica per monitorare la progressione e determinare l’efficacia del trattamento4,5,10. Tuttavia, una volta in crescita esponenziale, l’ultima fase della crescita tumorale può essere rapida, quindi la maggior parte dei regimi di trattamento sono iniziati relativamente presto (ad esempio, 14 giorni)11,12. Il sistema immunitario svolge un ruolo critico nello sviluppo del tumore, anche nel PDAC, che è caratterizzato da un tumore immunosoppressivo infiltrarsi con relativa scarsità di cellule T e la frequente presenza di cellule mieloidi13. Un’alta presenza di cellule T nel PDAC conferisce una prognosi migliore14,15. Tuttavia, come singoli agenti, gli inibitori del checkpoint immunitario che alleviano l’immunosoppressione delle cellule T, come anti-CTLA-416 e anti-PD-L117, non hanno mostrato benefici clinici nei pazienti PDAC, molto probabilmente perché la reattività complessiva delle cellule T è molto bassa. Tuttavia, gli agenti che innescano le risposte delle cellule T, come l’anti-CD40, possono superare la resistenza anti-PD-L1/CTLA-418,19 e la vaccinazione con il vaccino PDAC allogenico di morsetto GM-CSF (GVAX) può aumentare l’immunogenicità dei tumori PDAC20, indicando che il miglioramento delle risposte delle cellule T forma un’importante viale terapeutica.
Critico per una risposta delle cellule T antitumorali è il riconoscimento di antigeni di derivazione da tumore attraverso il recettore delle cellule T (TCR) e la successiva produzione di citochine citototossiche e granuli. Mentre il riconoscimento dell’antigene delle cellule T può essere determinato dal sequenziamento TCR, questo approccio è costoso e richiede molto tempo. Tuttavia, la quantificazione dei sottoinsiemi di cellule T che infiltrano tumori fornisce una buona indicazione di una risposta anti-tumorale. Un ulteriore esame dell’attività delle cellule T ex vivo in termini di degranulazione, produzione di citochine e altri fattori citotossici fornisce un’analisi funzionale più profonda. Questi saggi possono essere eseguiti su campioni di tumore fresco e molti parametri della funzione delle cellule T possono essere misurati rapidamente dalla citometria di flusso.
Le cellule TCD8 e CD4producono citochine come IFN e TNF per potenziare una risposta immunitaria21. L’IFN induce l’accresciuta della MHCI sulle cellule bersaglio, induce la differenziazione e il reclutamento di cellule immunitarie e aiuta la morte delle cellule. Produzione di IFN , da parte di CD8– cellule T è ben caratterizzata per essere parte di una risposta antitumorale e correla con regressione tumorale22,23. La TNF è un’altra citochina infiammatoria prodotta sia dalle celluleCD8 che CD4e T. Migliora l’attivazione dipendente da TCR e la proliferazione delle cellule T, aiutando la risposta anti-tumorale. Al momento dell’impegno del TCR, le cellule ctotototossici CD8– T possono subire degranature, dove i lisosomi segreti sotterranei preformati contenenti molecole citotossiche vengono rilasciati nella sinapsi immunologica per causare la degradazione delle cellule bersaglio21. Queste molecole includono Perforin, una proteina che si lega alla membrana cellulare bersaglio, formando pori che poi interrompono l’integrità della membrana e consentono la diffusione21 o endocytosi24 di altre molecole citotossiche, come Granzyme B, direttamente nel citoplasma della cellula bersaglio. Granzyme B è una proteasi che mette in atto la degradazione di più proteine all’interno della cellula bersaglio, portando alla morte cellulare21. Il rilascio di tali molecole richiede esocitosi degli endosomi sulla superficie cellulare, dove il marcatore endosomico CD107a (noto anche come LAMP-1) è tradotto nella membrana cellulare25.
La misurazione della secrezione di citochine da parte delle cellule T richiede il loro isolamento mediante lo smistamento delle cellule assistite dal flusso o i saggi di separazione basati sul tallone, che non possono essere facilmente eseguiti su un gran numero di campioni contemporaneamente. Tuttavia, la misurazione delle citochine intracellulari non richiede alcuna procedura di pre-isolamento e può essere eseguita facilmente su più campioni contemporaneamente, consentendo un approccio a velocità effettiva più elevata. Poiché le citochine vengono rapidamente secrete dalle cellule T, i livelli intracellulari possono essere inosservabili e quindi la cellula T richiede stimolazione per aumentare la produzione di citochine basali. Per valutare la produzione di citochine guidate da antigeni, l’antigene riconosciuto dal TCR deve essere presentato alla cellula T da un APC innescato in vitro. Nei casi in cui la specificità dell’antigene non è nota, è necessario un approccio di stimolazione ampio. La stimolazione TCR può essere mimicked utilizzando perline anti-CD3/28 che forniscono sia l’attivazione TCR che la costimolazione, che induce la produzione e la proliferazione di citochine. Tuttavia, un’alternativa più conveniente è l’uso di PMA e ionomycina, che attivano insieme percorsi di segnalazione che portano alla sintesi e al rilascio di citochine intracellulari. In particolare, la PMA attiva la chinasi c, la proteina C (PKC) e la ionomycina solleva ioni intracellulari ca2, portando ad un aumento della segnalazione cellulare. Al fine di preservare il contenuto intracellulare delle citochine, questa stimolazione può essere efficacemente combinata con gli inibitori del trasporto delle proteine brefeldin A e monensina, che bloccano le proteine nel Golgi e quindi impediscono il rilascio extracellulare. L’uso di PMA/ionomycin è un metodo ben consolidato per stimolare le cellule T e c’è una forte correlazione tra citochine extracellulari e citochine intracellulari26. La stimolazione delle cellule T con PMA e ionomicina aumenta anche il traffico lisosomico verso la membrana cellulare e quindi CD107a diventa transitoriamente integrato sulla superficie cellulare prima di essere riciclato nella cellula. Includendo un anticorpo anti-CD107a durante la stimolazione, è possibile utilizzarlo come marcatore di attività di degranulazione25.
Questo metodo digerisce rapidamente i tumori per fornire una sospensione unicellulare. A questo punto, le singole popolazioni possono essere macchiate direttamente per la citometria di flusso o purificate con metodi a valle: smistamento delle cellule assistite dal flusso o separazione magnetica delle perline. La preparazione di una sospensione unicellulare per l’analisi della citometria del flusso consente l’analisi ad alto throughput di più popolazioni di cellule immunitarie e dei loro marcatori fenotipici, fornendo una quantificazione accurata del numero di cellule immunitarie e del fenotipo.
Infine, il protocollo di digestione descritto qui previene la perdita di marcatori di superficie cellulare e mantiene la vitalità delle cellule immunitarie, consentendo alle cellule immunitarie di sottoporsi a ulteriori passaggi e coltura di purificazione delle cellule, se necessario. Tuttavia, questo metodo non è stato testato per derivare le cellule epiteliali da questa digestione.
I modelli in vivo di cancro al pancreas forniscono strumenti inestimabili per comprendere la progressione della malattia e valutare nuovi obiettivi terapeutici3. Il modello ortotopico in particolare è un modello economico e riproducibile che può essere applicato in grandi coorti di topi contemporaneamente4,27. Il modello ortotopico fornisce anche il microambiente cognato e il sistema immunitario intatto per la crescita del tumore, rendendolo più appropriato rispetto ai modelli sottocutanei e PDX. Tuttavia, abbiamo scoperto che alcuni elementi di infiltrazione immunitaria possono differire tra il modello ortotopico e i topi KPC, il modello murino standard oro10. Una ragione per questo potrebbe essere la crescita del tumore accelerata visto nel modello ortotopico. Ulteriori differenze nella densità dei sottoinsiemi di cellule immunitarie sono state descritte tra i modelli ortotopici e sottocutanei3,28. Pertanto, anche se il modello KPC transgenico è più costoso e variabile6, i risultati chiave dovrebbero essere verificati in una piccola coorte di topi KPC, ove possibile.
La preparazione delle cellule tumorali per la chirurgia ortotopica è un passo critico nel protocollo. Le cellule devono essere sempre nella fase di log della crescita e del micoplasma e senza infezioni. Chirurgia ortotopica dovrebbe essere rinviata se ci sono preoccupazioni sulla crescita delle cellule tumorali. L’uso della membrana seminterrato migliora il tasso di incidenza del tumore rispetto alle cellule iniettatricisenza 29 e riduce la perdita di cellule e quindi la diffusione peritoneale27. Tuttavia, una volta sospese nella membrana del seminterrato, le cellule tumorali devono essere iniettate rapidamente (entro 2 ore) per evitare qualsiasi perdita di cellule. È probabile che il numero di cellule tumorali necessarie per generare tumori sia dipendente dalla linea cellulare e deve essere testato un intervallo di numeri di cellule (ad esempio, da 100 a 100.000) che può anche determinare il tempo necessario per raggiungere l’endpoint. È probabile che ci sarà un margine di errore quando si preparano 1.000 cellule per topo per iniezione; pertanto, se sono necessari più giorni di intervento chirurgico, il trattamento dei gruppi dovrebbe essere distribuito equamente tra i giorni per controllare gli effetti del lotto. La maggior parte dei passaggi chirurgici può essere modificata in base alle preferenze; tuttavia, occorre prestare attenzione a non disturbare la membrana del seminterrato quando si sostituisce il pancreas nella cavità addominale o si chiude la parete peritoneale. Perdita di membrana seminterrato può causare la crescita delle cellule tumorali sulla parete peritoneale, che si formano rapidamente e può portare a dover sacrificare l’animale in precedenza.
Idealmente, i tumori pancreatici dovrebbero essere rapidamente digeriti dopo il raccolto e preparati immediatamente per la stimolazione ex vivo. Tuttavia, questo potrebbe non essere possibile se c’è un grande lotto di tumori da raccogliere, in questo caso i tumori dovrebbero essere tenuti sul ghiaccio e digeriti in lotti. Il tipo, la concentrazione e la durata dell’esposizione agli enzimi digestivi hanno tutti dimostrato di influenzare un gran numero di molecole superficiali sulle cellule immunitarie30,31,32. Il tempo di digestione è anche deliberatamente breve per limitare la morte cellulare33. Le cellule digerite possono essere congelate nel mezzo di congelamento per l’immagazzinamento a lungo termine; tuttavia, qualche perdita di cellule si verificherà quando si scongela. Il processo di digestione può essere non ottimale se i pezzi del tumore non sono sufficientemente tagliati a dadini prima dell’incubazione del collagenasi e questo sarà evidente poiché i pezzi di tumore duro rimarranno nel filtro dopo la digestione. La concentrazione di collagenasi può essere abbassata se si lavora con pancreas sani o tumori in fase iniziale; rapporti sull’estrazione di cellule duttali pancreatiche sane utilizzano concentrazioni significativamente più basse34. Un alto grado di morte delle cellule epiteliali è prevedibile durante la digestione; tuttavia, le cellule immunitarie dovrebbero tollerare bene il processo. Esistono metodi alternativi per isolare le cellule epiteliali vitali per la crescita organoide35 o per preservare l’architettura dei tessuti36.
Le modifiche al protocollo di stimolazione possono essere apportate facilmente, a seconda della lettura desiderata e delle cellule immunitarie analizzate (ad esempio, macrofagi o cellule B). L’uso di reagenti panstimolazione PMA/ionomycinnon non discrimina per specificità TCR-antigene, rendendolo utile quando l’antigene non è noto. Tuttavia, la produzione di IFN è strettamente associata all’impegno di TCR37 e sia la produzione di IFN e TNF sono fondamentali nelle risposte antitumorali PDAC38. La stimolazione pMA/ionomycina riflette la capacità massima delle cellule T di produrre citochine, che potrebbero o potrebbero non essere prodotte dai cellule T all’interno del microambiente tumorale. La produzione endogena può essere misurata senza la necessità di stimolazione; tuttavia, i livelli possono essere molto più bassi o non rilevabili. Ci sono metodi alternativi per stimolare le cellule T: perline anti-CD3/28 rivestite, che inoltre non richiedono antigene o addirittura altre popolazioni di cellule immunitarie. Il vantaggio di questo metodo è consentire la quantificazione della produzione di citochine da parte di specifici sottoinsiemi di cellule T senza la necessità di metodi di separazione. Altri marcatori di citotossicità (granzyme B e Perforin A), attività (IL-2) o immunosoppressione (IL-10) possono anche essere aggiunti21. Tuttavia, gli anticorpi della citometria di flusso di alta qualità non sono disponibili per rilevare tutte le citochine e i fattori di interesse. Pertanto, se ci sono altre applicazioni come ELISA richiesto la stimolazione può essere eseguita senza l’inclusione di brefeldin A/monensin, permettendo citochina rilascio nel supernatante. Tuttavia, da notare, questo permetterà il rilascio totale di citochine cellulari e non sarà possibile determinare quali popolazioni cellulari hanno contribuito.
La produzione di IFN è una caratteristica dominante di una risposta antitumorale delle cellule T, spesso utilizzata come sostituto del riconoscimento TCR-antigene37,38. Altri metodi in vivo che definiscono più accuratamente le risposte specifiche dell’antigene utilizzano cellule tumorali che esprimono un antigene noto, come Ovalbumin o SV40. L’antigene universale può quindi essere utilizzato ex vivo per testare il riconoscimento delle cellule T o in combinazione con un mouse host limitato t- TCR. In alternativa, laddove l’antigene è sconosciuto, la quantificazione dell’espansione clonale delle cellule T può essere eseguita mediante sequenziamento bulk-TCR o più recentemente sequenziamento TCR a cella singola39,40. Per comprendere appieno lo stato della risposta delle cellule T intratumorali, è necessario misurare anche i marcatori indicativi di recettori di esaurimento o inibitori, tra cui: CTLA-4, PD-1, LAG-3, TIM3, 2B4. Così come i marcatori di cellule T eseche (CD44hi, CD62lo) e attività proliferativa, Ki67o diluizione CSFE41,42,43,44. Nel complesso, il modello ortotopico fornisce una piattaforma utile per testare rapidamente strategie terapeutiche, in particolare che possono modulare la risposta antitumorale delle cellule T, che può poi essere convalidata su una coorte più piccola di topi transgenici, KPC.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo l’Animal Technician Service e il Dr. Alzbeta Talarovicova (Barts Cancer Institute, Queen Mary University of London, Londra, Regno Unito) per la loro assistenza durante l’intervento ortotopico. Vorremmo anche ringraziare la Dott.ssa Jennifer Morton (Beatson Institute for Cancer Research, Glasgow, Regno Unito) per la sua guida nella tecnica chirurgica, Dr. Cristina Ghirelli (Barts Cancer Institute, Queen Mary University of London, Londra, Regno Unito) per i suoi consigli sulla digestione del tumore e la dott.ssa Fabienne McClanahan (Barts Cancer Institute, Queen Mary University of London, Londra, Regno Unito) per il suo consiglio sulla stimolazione cellulare in vivo. Vorremmo anche ringraziare il Medical Research Council (MRC), Il Pancreatic Cancer Research Fund (PCFR) e l’Ovarian Cancer Action che hanno finanziato questa ricerca.
6/0 gauge coated vicryl absorbable sutures | Ethicon | W9500T | |
70 μm pore-size cell strainer | Fisher Scientific | 11597522 | |
9 mm Clay Adams clips | VetTech Solutions | IN015A | |
anti-CD107a PE (clone 1D4B) | Biolegend | 121612 | 1:100 to culture media |
anti-CD16/CD32 | BD Biosciences | 553142 | Use at final dilution 1:200 |
anti-CD3 PerCP eFluor710 (clone 17A2) | Biolegend | 46-0032 | Use at final dilution 1:50 |
anti-CD4 FITC (clone GK1.5) | eBioscience | 11-0041 | Use at final dilution 1:100 |
anti-CD45 Brilliant Violet 605 (clone 30-F11) | Biolegend | 103140 | Use at final dilution 1:200 |
anti-CD8 Brilliant Violet 421 (clone 53-6.7) | Biolegend | 100738 | Use at final dilution 1:100 |
anti-IFN-gamma PE/Cy7 (clone XMG1.2) | Biolegend | 505826 | Use at final dilution 1:50 |
anti-TNF-alpha Alexa Fluor 647 (clone MP6-X) | Biolegend | 506314 | Use at final dilution 1:50 |
BD Matrigel Basement Membrane Matrix High Concentration | BD Biosciences | 354248 | Aliquot on ice and store in -20 °C |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A4503 | |
Cell Stimulation Cocktail (500x) (phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) and ionomycin) | eBioscience | 00-4970-03 | 1x Final concentration PMA 0.081 μM, ionomycin 1.34 μM |
Clay Adams Autoclip Applier | VetTech Solutions | IN015B | |
Clay Adams Autoclip remover | VetTech Solutions | IN015B | |
Collagenase Type V from Clostridium histolyticum | Sigma-Aldrich | C9263 | 2 mg/mL in media |
Dimethyl sulphoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2650-100mL | |
DMEM High glucose (4.5 g/L) with L-Glutamine | PAA | E15-810 | |
DNase (Deoxyribonuclease I from bovine pancreas Type II-S) stock 10 mg/mL in 0.15 M NaCl | Sigma-Aldrich | D4513 | Final concentration in digestion media 0.025 mg/mL |
Fixable Viability Dye 506 (FVD506) | eBioscience | 65-0866 | Use at 1:200 in PBS |
Foetal calf-serum (FCS) | GE Healthcare | A15-104 | 10% in RPMI |
Hamilton syringe 700 series, 25 μL volume, 22s gauge needle bevel tip | Fisher Scientific | 10100332 | |
Intracellular Fixation buffer and Intracellular Permeabilisation Buffer | eBioscience | 88-8824-00 | Dilute permeabilisation buffer to 1x in H2O |
Penicillin/streptomycin | PAA | 15140122 | 100 units/mL Penicillin, 100 μg/mL Streptomycin |
Protein transport inhibitor cocktail (500x) (brefeldin A and monesin) | eBioscience | 00-4980-03 | 1x Final concentration Brefeldin A 10.6 μM, monensin 2 μM |
RPMI-1640 (containing 0.3 g/L Glutamine) | Sigma-Aldrich | R8758 | |
Surgical Scalpel Blade No.10 | Swann-Morton | 0501 | |
Trypsin-EDTA Solution 10x | Sigma-Aldrich | 594-18C | Trypsin (0.1%) EDTA (0.4%) final concentration |
U-bottomed 96 microwell plate | VWR | 734-2080 | |
Universal Cotton Tipped Applicators – 6 inch x 100 | Medisave | UN982 | |
V-bottomed 96 microwell plate | VWR | 735-0184 |