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Cancer Research

肺扁平上皮癌進行をモデル化する多次元共培養システム

Published: March 17, 2020 doi: 10.3791/60644

Summary

肺扁平上皮癌(LUSC)進行中の組織構造変化を、がん関連線維芽細胞(CAF)との3次元(3D)共培養で捉えるin vitroモデルシステムが開発されました。このオルガノイドシステムは、腫瘍表現型を調節する多様な腫瘍細胞内および外因性変化の役割を調査するためのユニークなプラットフォームを提供する。

Abstract

腫瘍-ストロマ相互作用は、肺扁平上皮癌(LUSC)の発症に重要な役割を果たす。しかし、これらの動的相互作用が腫瘍形成中に観察された組織の建築変化にどのように寄与するかを理解することは、適切なモデルがないため依然として困難である。本プロトコルでは、TUM622として知られるLUSC一次細胞培養を用いた3Dコカルチャーモデルの生成について述べている。TUM622細胞は、LUSC患者由来の異種移植片(PDX)から樹立され、基膜マトリックスに播種すると、アシナル様構造を形成するユニークな性質を有する。我々は、3DコカルチャーにおけるTUM622アキニが、LUSC進行中の組織アーキテクチャの主要な特徴と、細胞外を含む腫瘍微小環境(TME)のLUSC細胞と成分間の動的相互作用を再現することを実証する。マトリックス(ECM)および癌関連線維芽細胞(CAF)。さらに、このシステムをさまざまな下流分析にどのように活用できるかを実証するために、主な3D培養プロトコルを適応させます。全体的に、このオルガノイドモデルは、癌進行中の上皮アーキテクチャの破壊を促進する細胞組み込みおよび外因性メカニズムに関する洞察を得ることを可能にする生物学的に豊かで適応可能なプラットフォームを作成し、それを助ける新しい治療標的および診断マーカーの探索。

Introduction

肺癌は、世界中のがん関連死亡率の主な原因です。肺扁平上皮癌(LUSC)は、非小細胞肺癌(NSCLC)の2番目に一般的なタイプであり、全肺癌の約30%を占めるが、進行期で診断されることが多く、予後不良1である。LUSC患者のための治療オプションは、LUSC腫瘍形成を促進する基礎となる細胞および分子メカニズムのより良い理解によって改善することができる主要な満たされていない必要性である。

ほとんどのヒト癌と同様に、LUSCの病因は、無傷の、秩序ある上皮組織アーキテクチャ2の破壊によって特徴付けられる。このプロセスの間に、適切な尖体基底細胞の極性、細胞細胞および細胞マトリックスの接触が失われ、腫瘍細胞の制御不能な成長および侵襲的な行動を可能にする。癌細胞とそれらの局所腫瘍微小環境(TME)3との重要な相互作用なしに癌細胞の悪性の特徴が現れないことは、今では広く3理解されている。細胞外マトリックス(ECM)、がん関連線維芽細胞(CAF)、内皮細胞および浸潤免疫細胞を含むTMEの主要成分は、TMEを積極的に形成し、腫瘍形成を促進する4。それにもかかわらず、TMEにおける腫瘍細胞とこれらの主要成分が、LUSC進行中に組織構造の変化を促進するためにどのように相互作用するかに関する現在の理解は非常に限られています。

三次元(3D)培養は、正常組織と疾患組織の両方における組織アーキテクチャの変化を調節する際の細胞内および外因性の変化の生物学的活性を研究する重要なツールである5。3D カルチャは、従来の 2 次元 (2D) カルチャに欠けている適切な構造および機能コンテキストを提供します。このようなシステムの追加された次元は、増殖、分化、遊球、タンパク質発現および薬物治療への応答を含む細胞生理および細胞行動の多くの側面において、生体内の組織をより密接に模倣する。近年、様々な研究室からの取り組みにより、NSCLC66、7、87,8の両方のin vitro 3Dモデルが開発されています。しかし、腫瘍形成中の動的組織アーキテクチャの変化を再現し、主要な間質成分を組み込むことができる肺扁平上皮癌のモデルは利用できなかった。

ここでは、一次PDX由来LUSC細胞(TUM622と呼ばれます)とCAF9,10を用いて新規3次元(3D)コカルチャーシステムを確立9,10するための方法について説明する。TUM622とCAFは、いずれも腫瘍10の分化が不十分なNSCLC患者由来である。ECMに単一細胞として埋め込まれると、TUM622細胞のまれな亜集団は、適切な尖体基底細胞極性を示すアシナル様構造を有するオルガノイドを形成する能力を有する。これらのアシナ様構造は、過形成性であり、非侵襲的なまま、元の腫瘍に類似した茎様および分化マーカーの異種発現を示し、したがって、LUSCの開発の初期段階を模倣する。重要なことに、アシナル様構造の組織アーキテクチャは、低分子阻害剤を有する細胞固有シグナル伝達経路の阻害またはCAFなどのECMの主要成分の追加によって変化し、後者はアキニ形成を増強し、近接時にアキニが侵襲的になることをさらに引き起こすことを示した。これらのデータは、これらの3D共培養系のLUSCオルガノイドが、LUSC細胞とTMEとの動的相互関係の調査に貴重なプラットフォームを提供し、薬物治療11に対するLUSC細胞の応答をモニタリングするために適応できることを示唆している。

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Protocol

1. TUM622細胞とCAFを2D培養で受け継ぎ、培養する

  1. TUM622細胞のパスエージングと培養
    1. 37°CのTUM622細胞に対する温かい3D培養培地および細胞解離試薬(材料表を参照)
    2. 2Dフラスコにおける80%合流でのTUM622細胞のパッセージ。通常、これは、合格後1週間に発生します。
    3. T75フラスコから古い媒体を捨て、6 mLのHEPESバッファーで1回洗います。細胞に直接ピペットを避けてください。
    4. HEPESバッファーを吸引する。4 mL のトリプシン/EDTA (0.25 mg/mL、材料表を参照)を追加して、トリプシン/EDTA を捨てます。
    5. トリプシン/EDTAを2 mL加え、37°Cで5分間インキュベートし、インキュベーターからフラスコを取り除き、フラスコをタップして気泡を作らずに細胞を緩め、さらに5分間培養器にフラスコを戻します。
      注:トリプシンへの長時間の暴露は、不可逆的に細胞を損傷し、その表現型を変更します, したがって、細胞がトリプシンにさらされる時間を制限することをお勧めします.
    6. 細胞が軽顕微鏡(4xまたは10x)で剥離し解離したことを確認します。4 mLの中和バッファー(TNSバッファ)を加え(材料表のサブ培養試薬情報を参照)、その後に10 mLの3D培養培地を追加します(材料表を参照)。
    7. ピペットを上下に軽くして、10 mLピペットを使用して細胞をさらに解離します。40 μmのセルストレーナーを通して50 mLの円錐形チューブに懸濁液を移します。
    8. ヘモサイトメーターまたは自動セルカウンターを使用してセル番号をカウントします。
    9. 3D培養培地の20 mLに0.8 x 106細胞/T75フラスコをシード(材料表を参照)。
    10. 使用済み培地の半分を新鮮な培地に置き換えることによって、一日おきに細胞を供給します。
  2. CAF のパッセジングと培養
    1. 細胞が合流に達すると、パッセージのCAF。通常、これは1:2分割から培養の5日後に発生します。
    2. 20%の熱不活性化胎児ウシ血清、1%L-グルタミンおよび1%ペニシリン/ストレプトマイシンとRPMI基底培地を使用してCAF培地を調製する。培地を37°Cに温めます。
    3. T75フラスコでは、リン酸緩衝生理食塩基(PBS)でCAFを一度リンスし、トリプシン/EDTAを2 mL添加し、37°Cで5分間インキュベートします。
    4. 光顕微鏡で観察して、フラスコ(4xまたは10x)で細胞が解像したことを確認します。そうでなければ、インキュベーションをさらに2〜3分間延長します。
    5. 細胞が剥離して解離したら、トリプシン/EDTAを中和するために10mLの3D培養培地を加え、ピペットを数回上下に加えて、さらにCAFの解離を行います。
    6. セル懸濁液を50 mL円錐形チューブに移し、室温で5分間300 x gでスピンダウンします。
    7. 上清を捨てて、適切な体積の3D培養培地(材料表を参照)でペレットを再懸濁し、2つの新しいT75フラスコに通過させます。

2. 3D培養用細胞外マトリックスにおけるTUM622細胞のめっき

  1. 実験前日には、一晩4°Cの冷蔵庫で基膜マトリックスのバイアルを解凍する。一晩で -20 °C でプラスチックピペット(2 mL)とチップを冷却します。
    注: すべての基質膜マトリックスの多くは、TUM622細胞の3D増殖をサポートするために同じ能力を持っているわけではありません。したがって、強固なアチーニ形成をサポートするものを同定するために、多数の基部膜マトリックスを取得してテストする必要があります。通常、これはマトリックス内のより高いタンパク質濃度(16-18 mg/mL)を必要とします。
  2. 実験の日には、温かい3D培養培地、HEPESバッファー、トリプシン/EDTAおよびトリプシン中和バッファー(TNS)を37°Cの水浴に含む。培養を設定する直前に、解凍した基膜マトリックスを冷蔵庫から取り出し、バイアルを氷の上に置きます。
  3. 氷の上に置かれた金属プラットフォームクーラーのティッシュ培養プレートを冷やします。金属冷却ラックの上に遠心管を氷の上に置きます。
  4. ステップ1.1.7から得られたTUM622細胞を用いて、めっきに必要な細胞の所望の数を計算する。通常、24ウェルプレートのウェルあたり15,000〜30,000個の細胞が必要です。低密度は、イメージングや定量に適していますが、RNA抽出やウェスタンブロッティング用に細胞を収集する場合は高密度が好ましいです。
  5. 冷却された遠心管(各チューブに三重めっき用の細胞を含む)に細胞懸濁液を移し、4°Cの吊りバケット遠心分離機で300xgで5分間スピンダウンします。 g
  6. 上澄み液を濾過されていない先端(20μL)に取り付けた吸引ピペットで慎重に吸引し、約100μLの媒体をチューブに残します(チューブ上のマーキングをガイドとして使用)。
  7. チューブの側面を軽くタップしてペレットを取り外し、冷却ラックに戻す前に解き放ちます。
  8. 2 mLの予冷ピペットを使用して、バイアルを氷と接触させながら、数回上下にピペットしてマトリックスを軽く混ぜます。この手順の間に気泡がマトリックスに導入されないように、均一かつ適度な速度でピペット。
  9. マトリックスの適切な体積を各遠心管に移します。24ウェルプレートに3枚ずつめっきする場合は、各チューブに1.1mLの基質膜マトリックスを加えます。
  10. 事前冷却された先端を使用して、各チューブのマトリックスを上下に約10回ピペットし、均一な細胞懸濁液を作ります。
  11. 310 μLのセル/マトリックス懸濁液を、冷却済みの24ウェルプレートの各ウェルに移します。ピペットはプレート表面に90°の角度で配置され、懸濁液はウェルの中心に加えます。サスペンションは、プレートを傾けることなく、広がり、全体を覆う必要があります。
  12. 下流の免疫蛍光分析を容易にするために、細胞/マトリックス懸濁液を平行に2ウェルチャンバースライドにプレートします。セル/マトリックスサスペンションの100 μLを2ウェルチャンバースライドのウェルの中央に移します(材料表を参照)。これにより、行列は、はるかに小さい体積でドーム状の構造を形成することができます。
  13. プレートとチャンバースライドを組織培養インキュベーターに戻し、30分間インキュベートしてマトリックスを固めます。プレート/スライドを光顕微鏡で調べ、単一の細胞がマトリックス内に均等に分布していることを確認します(4xまたは10x)。
  14. 各ウェルに完全な培地を1mLの事前温め、チャンバースライドの各ウェルに3D培養培地1.5mLを加え、インキュベーターに戻します。

3. 細胞外マトリックスにおけるTUM622細胞とCAFの3Dコキュレーション

  1. セクション 2 に従って TUM622 および CAF のセル中断を準備します。
  2. 10 μLのセル懸濁液を取り、10 μLのトリパンブルーと混合して、CAF細胞密度をカウントします。
  3. 10 μL の混合物をマカチメーターの 2 つのチャンバーのそれぞれに加え、細胞密度をカウントして計算します。
    注: CAF は不規則な形状を持ち、自動セル カウンタでは正確にカウントされない場合があります。
  4. 基質膜マトリックスにTUM622細胞とCAFを共存させる
    1. 細胞密度情報に基づいて、メッキに使用する細胞の所望の数を計算する。CAFはTUM622細胞の2:1の比率でシードされます。たとえば、30,000 個の TUM622 細胞のシードの場合、60,000 個の CAF が共存します。
    2. TUM622の適切な体積とCAFセル懸濁液を同じ遠心管に移し、24ウェルプレートにメッキのためのステップ2.5-2.11に従ってください。免疫蛍光の場合、ステップ2.12で説明したように、TUM622/CAFの60 μLをチャンバースライドに混合します)。
  5. 基部膜マトリックス内のオーバーレイされた CAF を使用した TUM622 のコキュレーション (資料表を参照)
    1. 手順 2.5 ~ 2.13 に従って TUM622 モノカルチャーを設定します。
    2. キャスサスペンションの数を2倍にして(播種したTUM622細胞の数と比較して)遠心管に移し、室温で5分間300 x gでスピンダウンします。
    3. 上清を吸引し、3D培養培地の1mLでCAFsを再懸濁します。
    4. 1 mL の CAF 懸濁液を、埋め込まれた TUM622 セルを含むウェルに移します。

4. RNA/タンパク質抽出および蛍光活性化細胞選別(FACS)用TUM622アチーニの収穫

  1. 前日の3Dセルハーベスティングキットプロトコルに従って洗浄バッファーとセルハーベスティングバッファを準備し、4°Cで一晩冷やします。
  2. プレートをプレートクーラーに置き、他の試薬を氷上に置いてから、抽出プロセスを開始してください。
  3. マトリックスに触れることなく3D培養井戸から吸引培地を吸引し、1mLの洗浄バッファーでウェルを3回静かに洗浄します。
  4. 最終洗浄を吸引し、各ウェルに1mLの細胞収穫バッファーを加えます。
  5. p1000ピペットチップを使用して、各ウェルのマトリックスを削り取ります。
  6. ピペットはマトリックスをさらに解離する。
  7. 1 mLのミックスを、あらかじめ冷やされた15 mL円錐管に移します。同じ井戸に収穫バッファの別の1 mLを追加します。
  8. ステップ 4.5~ 4.7 を繰り返し、同じウェルのミックスをすべて 15 mL 円錐形チューブに移します。
  9. チューブと岩を4°Cで30分間キャップします。
  10. 各チューブに10mLまでの氷冷PBSを充填し、300 x gで遠心分離機を4°Cで5分間充填します。
  11. ペレットに触れずに上清を吸引する。上清には行列の断片が含まれている必要がありますが、回転楕円体はすべてチューブの底部に集める必要があります。
  12. 2回目の洗浄のために氷冷PBSを追加します。ペレットを解震するためにチューブを数回反転します。300 x gで 5 分間スピンダウンします。
  13. 紡糸中、タンパク質およびRNAの収集のためのリシスバッファーを準備します。
  14. 上清を慎重に吸引し、下流処理用のリシスバッファーを添加してタンパク質またはRNAを収集します。あるいは、フロー解析/FACSソートまたはシリアルパスパサイジングのためにセルを再中断することもできます。

5. TUM622 アキニの蛍光免疫

  1. 免疫蛍光バッファー(IFバッファー:0.1%ウシ血清アルブミン(BSA)、0.2%トリトンX-100および0.05%Tween-20)、一次ブロッキングバッファ(10%ヤギ血清を有するIFバッファ)、二次遮断緩衝液(20μg/mLヤギ抗マウスF(ab'2)を備2えた一次ブロッキングバッファー)
  2. 2ウェルチャンバースライドから吸気媒体を吸引し、PBSで一度すすいで、氷の上に金属板クーラーにスライドを設定します。チャンバースライドは、プロトコルの残りの部分のための金属板クーラーに残る必要があります。
  3. あらかじめ冷やした4%PFAを加えて、アチーニを固定し、氷の上で20分間インキュベートします。
  4. 4%のPFAを取り除き、ロッカーに穏やかな揺れで5分間、それぞれ2mLの予冷PBSで3回洗浄します。
  5. PBSを吸引し、PBSで0.5%トリトンX-100の1.5mL(プレチルド)で20分間透過します。この手順の終わりまでに、ドーム状の構造が緩んでしまいます。
  6. サンプル損失を避けるためにチャンバースライドからパーメアビライゼーションバッファーを穏やかに吸引します。これは、吸引ピペットに細かいチップ(20 μL)を加え、チップをチャンバーの隅に押し付けて達成します。
  7. ロッカーに優しい揺れで5分間、2mLの予冷PBSで3回洗浄します。
  8. 氷上の一次ブロッキングバッファーでサンプルを1時間ブロックします。
  9. プライマリブロッキングバッファを取り外し、セカンダリブロッキングバッファを追加し、30分間ブロックします。
  10. 一次ブロッキングバッファーに一次抗体を加え、4°Cで一晩インキュベートします。
    注:ここで使用する抗体の濃度は、2D培養で細胞を染色するために通常使用されるよりも高くする必要があります。この研究で使用される一次抗体の大部分は、1:100希釈で希釈されます(材料表を参照)。
  11. 一次抗体を除去し、2 mLのコールドIFバッファーでサンプルを3回洗浄します。
    注:サンプルが緩んでいる可能性があり、吸引するときは特別な注意を払ってください。
  12. RTで1時間一次ブロッキングバッファーで希釈した二次抗体にサンプルをインキュベートする。好ましい二次抗体は、バックグラウンド染色を減らすために高度にクロス吸着する必要があります。この研究で使用されるほとんどの二次抗体は、1:200希釈で希釈される。
  13. 二次抗体を除去し、2 mLの冷たいIFバッファーでサンプルを3回洗浄します。
    注:サンプルが緩んでいる可能性があり、吸引するときは特別な注意を払ってください。
  14. 最後の洗浄時にDAPI(1:1,000希釈)でPBSを加えて核を染色します。PBSで別の2つのスッシュを行います。
  15. 3日以内に共焦点顕微鏡でサンプルを画像化します。
    注:オルガノイドの大きさと、目的の作業距離の制限により、サンプルは通常10倍または20倍の倍率で画像化されます。

6. 免疫検査用3D培養サンプルの調製

  1. 2ウェルチャンバースライドから吸気培地を吸引し、PBSで一度すすいだ。
  2. 3D培養物を一晩で37°Cで4%PFAで固定。
  3. 4%PFAを取り除き、2.5 mLの占めるサンプルゲル(材料表を参照)で培養し、スライドを4°Cに置いて少なくとも1時間固めます。
  4. 組織学的サンプルゲルで囲まれたサンプルを組織カセットに移し、一晩に自動化された組織サンプルプロセッサで処理した。
  5. パラフィンワックスにサンプルを埋め込み、12を切り離す準備をする。

7. 化合物スクリーニングのための3D細胞傷害性アッセイ(1つの96ウェルプレートの例)

  1. プレートクーラーに96ウェルプレート、貯水池冷却器に25mLの貯水池、氷の上に15 mLの円錐チューブをセットしてから実験を開始します。
  2. 細胞に適切な体積の基底膜マトリックスを加えることによって、あらかじめ冷やされた15 mLポリプロピレンの円錐管のTUM622細胞の細胞マトリックス懸濁液を調製する。TUM622細胞の望ましい密度は、基体膜マトリックスの70〜75 μLあたり10,000個の細胞です。ピペットは数回上下して、マトリックス内の細胞を混合することさえ可能にする。
  3. プレートクーラーとリザーバーを備えたプレートを氷から乾燥した表面に移動し、移動中に膜マトリックスと氷が接触するのを避けます。
  4. 泡を作成せずに、マトリックスセル混合物を冷却槽に移します。
  5. メカニカルマルチチャンネルピペット(10-300 μL)を使用して、混合セルの70~75 μLを96ウェルプレートの適切なウェルに移します。
  6. 37°Cで、5%CO2で、基2質膜マトリックスを固化させるために30分間インキュベートプレート。
  7. すべての行に100 μLのメディアを追加し、プレートをインキュベーターに戻します。
  8. 実験の目標に応じて、翌日以降に化合物のドージングを開始します。
  9. スフェロイドは、8または12ウェル真空マニホールドで使用済み培地を取り除き、所望の化合物の有無にかかわらず新鮮な培地に置き換えることによって、最大10日間、2〜3日ごとに再供給および再ドーズすることができます。
  10. TUM622スフェロイドの数は、メーカーのプロトコルに従って3Dイメージャーを使用して定量化することができます。

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Representative Results

TUM622 と 2D カルチャの CA
図1は、2D培養におけるTUM622細胞およびCAFの典型的な形態を示す。TUM622細胞は大きな核で丸められ、CAFは平坦で細長い。TUM622細胞は、培養中に80%〜90%の合流に達することができる。さらなる増殖は、より多くにつながるが、直接接触しないコロニーに凝集した小さな細胞。対照的に、CAFは、より高い細胞密度で成長することを好み、十分な栄養素が提供されれば完全な合流で増殖し続けます。

3D EC MにおけるTUM622アキニの成長と形態M
図2は、3D培養で播種されたTUM622細胞の経時実験を示す。データは、単一のTUM622細胞が埋め込まれたときにアシナールのような形態を有するオルガノイドを形成することができることを示している。5日目から7日目の間に、内腔がアシナル状の構造で明らかになり、その後中空のままである(2A)。各アシヌスは、中空腔を囲む細胞の単層から構成され、生体内の肺上皮と同様の適切な円膜基底極性を示す(2B)。これらのアシナ様構造は過形成であり、十分な栄養素が提供されている限り成長し続ける。この文化は、ECMが完全に崩壊する前に最大24日間維持することができます(図2C)。希釈アッセイ(LDA)を制限することで(データを示さない)、TUM622細胞の稀な亜集団(<0.02%)のみを推定するアシナルのような構造を形成する能力を持っています 9.

TUM622-CAFの培養の成長と形態
図 3は、TUM622-CAF の共同培養のセットアップ結果と代表的な結果を示しています。ADF は、マトリックスの上に重ねて、または TUM622 セルと共存して共存させることで、共存培養に統合できます。セットアップに関係なく、CAF の存在によって、形成されるスフェロイドの数とサイズが大幅に向上しました (図 3B)。興味深いことに、TUM622 aciniがCAFと近接すると、アキニが侵襲的になり、CAFに向かって移動し、構造のような「涙液滴」を形成するように誘導する(図3C)。なお、単一培養におけるTUM622アキニは侵襲的な行動を示さないし、CAFSに近い場合にのみ構造のような「涙液滴」を形成することに注意してください。

代表的な免疫蛍光および免疫体化学染色結果
図4は、10日間の培養後のTUM622アチーニの免疫蛍光および免疫体系化学染色の代表的な結果を示す。共焦点画像は、免疫蛍光染色されたTUM622アキニの赤道面で撮影した(図4A)。対照的に、免疫検査サンプルの各セクションは、異なる平面でアキニを捕捉してもよい(図4B)。いずれの結果も、各アシナス内の幹細胞様細胞および分化細胞の不均質な発現を示した。

TUM622 Wnt経路阻害剤を用いた3D細胞傷害性アッセイ
図5は、タンキラーゼ阻害剤であるXAV939で処理されたTUM622アキニの用量応答を示す(図5A,B)。XAV939を、めっき後1日目に培養物に添加し、合計10日間2日ごとにリフレッシュした。実験の最後に、アキニの数をイメージャーで定量した。より高い倍率での明視野画像はまた、コントロールのXAV939処理された井戸に対してスフェロイドの形態を捕捉するために取得された(図5C)。全体として、XAV939は、アキニ形成に対する用量依存的阻害を表示し、形成されたスフェロイドの組織アーキテクチャを変化させる。これらの結果は、TUM622のアシナル形態形成の間に正規のWnt経路の活性化が必要であることを示唆している。

Figure 1
図 1: 2D カルチャにおける TUM622 および CAF2Dで培養されたTUM622細胞およびCAFの代表的な明視野画像。スケールバー= 100 μmこの図はChenら9から変更され、許可を得て使用されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:3D ECMにおけるTUM622アキニの成長と形態(A) 10日間にわたって基膜マトリックスで培養されたTUM622細胞の経時経過画像。スケールバー=100μm(B)AUM622アチーニの免疫蛍光は、アピカル基底細胞極性マーカー、ゴルジ酵素(GM-130、グリーン、アピカル)およびインテグリンα6(CD49f、基底、赤)で染色した。B(C)培養24日間にわたって24ウェルプレートに3重プレートで盛り付けたアキニ数(右y軸、赤)とアキニ(左y軸、青)の平均サイズの定量化。エラー バーは SD を表します。この図はChenら9から変更され、許可を得て使用されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:TUM622-CAFの共存培養の成長と形態(A) TUM622-CAF のコカルチャーの設定の概略図。Cafs は、ECM の TUM62 セルと重ね合っているか、共存します。6-12日後のコカルチャーの後、TUM622細胞は、単一培養と比較してより大きなアキニを形成し、CAFと近接して直接接触した場合にECMに侵入することができる。侵襲的表現型は共培養でのみ観察できることに注意してください。(B) 8 日後にオーバーレイされた CAFs の有無に関する TUM622 3D カルチャのブライトフィールド 画像。スケールバー= 200 μm(C) Cafs に関係なく、Coculture で形成される涙液状のアチーニを示すブライトフィールド画像は、ECM に重ね合わせて、または共存します。スケールバー= 200 μm。この図はChenら9から変更され、許可を得て使用されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:代表的な免疫蛍光および免疫検査染色結果。(A)ステム/前駆細胞(CXCR4およびSOX2)のマーカーを用いたアチーニの抗体染色、間分圏(ビメンチン)、上皮分化(インボルクリン)、アポトーシス(CLEAVEd-Caspase-3)および増殖(Ki67)を緑色、DAPI(青、E-カドヘリン、ファルイド)スケールバー= 50 μm(B) TUM622アキニのFFPEセクション上の免疫体系化学。スケールバー= 100 μm (上) および 50 μm (下部)この図はChenら9から変更され、許可を得て使用されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:Wnt経路阻害剤を用いたTUM6223D細胞傷害アッセイ。(A)TUM622細胞をジメチルスルホキシド(Control)またはXAV939で処理した96ウェルプレートにおけるスフェロイド数の定量化。各条件は三重化でアッセイされる。誤差範囲はSDを表す(B)24ウェルプレートからの全ウェル画像を、XAV939がアキニ形成に及ぼす阻害効果を示すイメージャーで撮影した。(C)XAV939治療によって引き起こされる形態学的変化を示す対照と処理された井戸からの代表的な明視野画像。スケールバー= 100 μm。この図はChenら9から変更され、許可を得て使用されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

腫瘍は、がん関連線維芽細胞、内皮細胞、ECM内の免疫細胞などの間質細胞と並んで共存する癌細胞からなる異種組織である。これらの多様な成分が一緒にクロストークし、腫瘍微小環境に影響を与え、腫瘍形成を促進する上で積極的な役割を果たし、腫瘍アーキテクチャの進行性の変化を伴うプロセスである。理想的には、腫瘍発生のin vitroモデルは、生体内のヒト腫瘍で観察される動的組織アーキテクチャの変化を捉えることができるべきである、腫瘍微小環境内の多様な細胞型の複雑な相互作用と同時に許可するTMEの腫瘍細胞と成分の両方に対する実験的操作。近年、3Dがんモデルでは多くの進歩が見られましたが、このようなモデルはLUSCにとって容易に進んでいない。これまでに報告されているほとんどのモデルには、これらの重要な機能のいくつかの側面のみが組み込まれています。ここでは、LUSCの開発中に観察された主要な組織アーキテクチャの変化と、ECMを含むTMEの主要成分との間の動的相互作用を同時に捕捉するLUSCの3D共同培養システムの方法を報告します。CAF。

組織のアーキテクチャの変化をより正確にモデル化するこのシステムの能力は、3D ECに埋め込まれたときに、アシナルのような形態を有するオルガノイドを形成するTUM622細胞のユニークな特性に基づいている。自己更新単一細胞から形成され、各アシヌスは中空腔を囲む細胞の単層から構成される。この単層細胞は、尖体基底細胞極性を示し、肺上皮の組織アーキテクチャに似た非侵襲的なままである。TUM622は3Dモノカルチャーディスプレイの過形成成長として、CAFの添加は、さらに、アシナル形態形成を増強し、より大きなアチーニを形成する誘導する。重要なことに、CAFは、2つの細胞タイプが近接して来るとTUM622細胞の動的組織アーキテクチャの変化を呼び起こし、TUM622細胞は円錐基底極性を失い、CAFに向かってマトリックスに侵入することを可能にする。これらの表現型の変化は、初期の過形成とLUSCの後期侵襲段階の両方を再現する。

各球状体が多くの細胞の凝集によって形成される多くの腫瘍スフェロイドモデルとは異なり、各TUM622アシヌスは単一細胞9に由来する。インビトロLDAによって、それはわずかな亜集団(≤0.02%)と推定されるTUM622細胞のそのような容量9を有する。まれではあるが、これらの細胞は、3Dで連続過小通過を受ける能力によって証明されるように自己更新し、元の腫瘍と同様の細胞の異種集団に分化することができる。TUM622細胞のこのユニークな機能により、培養および下流分析に成功するために、メッキ時にECM内の単一のTUM622細胞の均等な分布を確保することが重要です。この目標を達成するためには、適切な播種密度の決定、早期凝固を防ぐために細胞とマトリックスの混合中にすべてのツールと試薬を冷たく保ち、混合プロセス中に気泡の導入を回避し、培養培地を添加する前にマトリックスが完全に固まるのに十分な時間を与えるなど、プロトコルにおいていくつかの重要なポイントを慎重に守る必要があります。これらの予防措置は、すべての埋め込み細胞に対してより均一なマトリックス基質および培養条件を達成するのに役立ちます。

いったん正常に確立されると、この培養は、腫瘍形成を調節する細胞および生化学的プロセスを解剖するために、様々な下流分析に使用することができる。各ウェルに形成されたアキニの数とサイズは、明視野イメージャーで時間の経過とともに監視することができ、TUM622細胞の増殖および自己再生能力の読み出しとして使用される。各アシヌスの形態形成におけるより詳細なダイナミクスは、様々な標識染料の有無にかかわらず、共焦点顕微鏡上での生画像化で観察することができた。このコンディショニングされた培地は、細胞細胞または細胞マトリックスの交差交言を媒介し得る可溶性因子を分析するための培養期間中の複数の時点で収集することができる。プロトコル4を用いてECMから直接抽出されたTUM622細胞は、細胞表面マーカーに基づく遺伝子発現解析、フローサイトメトリー定量またはFACS選別のためのRNAおよびタンパク質抽出に適している。あるいは、様々なマーカーの空間的時間的分布を理解するために、その領域の免疫蛍光または免疫体系化学研究において培養を固定することができる。同様であるが、免疫体系化学は、共焦点目的の限定的なイメージング深度のために不可能なアキニ全体のサンプリングを可能にするという点で免疫蛍光法を補完する。これらの方法の両方について、特にTUM622細胞が密なマトリックス(>90%基膜マトリックス)に埋め込まれていることを考えると、固定化と透過が行われる時間と温度が重要です。行列密度ははるかに低いです。したがって、複製結果を得るには、標準化された一貫した固定化と処理に注意が必要です。

このシステムをプラットフォームとして使用して、腫瘍細胞の細胞内組み込み変化と腫瘍微小環境における細胞外因性変化が上皮アーキテクチャに影響を及ぼし、癌腫形成に関与する初期の事象をモデル化する方法を調査することができます。例えば、腫瘍組織アーキテクチャを調節する上での腫瘍遺伝子または腫瘍抑制遺伝子の役割は、腫瘍細胞の対象遺伝子を標的とする機能の利得または喪失実験によって研究され得る。実際、我々は、LUSCで一般的に観察されるSOX2の過剰発現が、3Dにおける過形成の喪失および異形成成長に向けた進行によって証明されるようにTUM622細胞の表現型を変化させることを実証した一方、コカルチャー環境における正常な線維芽細胞と癌関連線維芽細胞を比較し、マトリックス成分またはその剛性がアキニ成長/形態/浸潤にどのような影響を与えるかを決定し、特定のサイトカインを遮断することが細胞間コミュニケーションを妨げ、ひいては組織の構造および腫瘍の進行に影響を与える可能性がある。重要なことに、これらのアッセイはすべて、特定の治療剤の有無において行われ、多次元読み出し11を有するLUSC細胞の薬物応答を決定するツールとして使用することができる。また、このシステムは、TUM622オルガノイドの成長と形態を調節する主要なシグナル経路の一部(すなわち、Wntの阻害がTUM622細胞のアキナー・モフォジェネシスに影響を与える)を調節するので、尋問に使用できる経路に関して制限されることにも注意することが重要である。

要約すると、このオルガノイド系は、腫瘍進行時のLUSC細胞と腫瘍微小環境との間の動的相互作用に関する新たな洞察を生み出すユニークなプラットフォームを提供することを示す。当社のモデルシステムは、創薬・開発に貴重なプラットフォームとなると期待しています。この点で、ネイティブ腫瘍組織コンテキストにおける新規抗癌治療薬のスクリーニングは、LUSCを標的としたより効果的な治療薬の選択および開発に役立つべきである。

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Disclosures

著者はファイザー社の従業員および株主です。

Acknowledgments

ファイザー・腫瘍学組織病理学およびバイオマーカー・グループのマガリ・ガフロイ、ジョン・クリーガー、ステファニー・ビスルコの病理学/組織学支援、マイケル・アレンスマンの原稿の批判的なレビューに感謝します。また、ファイザー博士後期課程および腫瘍学の研究開発グループ、特にロバート・エイブラハム、プジャ・サプラ、カレン・ウィドビン、ジェニファー・テヘダの支援に感謝します。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bronchial Epithelial Growth Medium Lonza CC-3170 BEGM
Cell Strainer 40um ThermoFisher 352340 For passing TUM622 cells
Cleaved Caspase 3 antibody Cell Signaling Technology 9661 (RRID:AB_2341188) Rabbit
CoolRack CFT30 Biocision BCS-138 For 3D culture
CoolSink XT96F Biocision BCS-536 For 3D culture
Cultrex 3D Cell Harvesting Kit Bio-Techne 3448-020-K
Cultrex (preferred for co-culture) Bio-Techne 3443-005-01 For 3D culture
CXCR4 antibody Abcam Ab124824 (RRID:AB_10975635) Rabbit
E-cadherin antibody BD Biosciences 610182 (RRID:AB_397581) Mouse
GelCount Oxford Optronix For Acini counts and measurements
GM130 antibody BD Biosciences 610822 (RRID:AB_398141) Mouse
Goat Serum Vector Labs S1000 (RRID:AB_2336615) For Immunofluorescence
Heat-inactivated FBS Gibco 10082-147 For CAFs
Histology sample gel Richard Allan Scientific HG-4000-012 For Immunofluorescence
Integrin alpha 6 antibody Millipore Sigma Mab1378 (RRID:AB_2128317) Rat
Involucrin antibody Abcam Ab68 (RRID:AB_305656) Mouse
Ki67 antibody Abcam Ab15580 (RRID:AB_443209) Rabbit
Lab-Tec II chambered #1.5 German Coverglass System Nalge Nunc International 155379 (2) For 3D culture
Lab-Tec II chambered #1.5 German Coverglass System Nalge Nunc International 155409 (8) For 3D culture
L-Glutamine Gibco 25030-081 For CAFs
Matrigel (preferred for mono-culture) Corning 356231 For 3D culture
p63 antibody Cell Signaling Technology 13109 (SRRID:AB_2637091) Rabbit
Pen/Strep Gibco 15140-122 For CAFs
ReagentPack Subculture Reagents Lonza CC-5034 For TUM622 cell dissociation
RPMI ThermoFisher 11875-093 For CAFs
Sox2 antibody Cell Signaling Technology 3579 (RRID:AB_2195767) Rabbit
TrypLE Express Gibco 12604-021 For CAF dissociation
Vi-Cell Bechman Coulter Automatic cell counter
Vimentin antibody Abcam Ab92547 (RRID:AB_10562134) Rabbit
β-catenin antibody Cell Signaling Technology 2677s (RRID:AB_1030943) Mouse

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References

  1. Cancer Genome Atlas Research Network. Comprehensive genomic characterization of squamous cell lung cancers. Nature. 489 (7417), 519-525 (2012).
  2. Nelson, C. M., Bissell, M. J. Of Extracellular Matrix, Scaffolds, and Signaling: Tissue Architecture Regulates Development, Homeostasis, and Cancer. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 22 (1), 287-309 (2006).
  3. Quail, D. F., Joyce, J. A. Microenvironmental regulation of tumor progression and metastasis. Nature Medicine. 19 (11), 1423-1437 (2013).
  4. Balkwill, F. R., Capasso, M., Hagemann, T. The tumor microenvironment at a glance. Journal of Cell Science. 125 (23), 5591-5596 (2012).
  5. Schmeichel, K. L., Bissell, M. J. Modeling tissue-specific signaling and organ function in three dimensions. Journal of Cell Science. 116 (Pt 12), 2377-2388 (2003).
  6. Wu, X., Peters-Hall, J. R., Bose, S., Pena, M. T., Rose, M. C. Human bronchial epithelial cells differentiate to 3D glandular acini on basement membrane matrix. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology. 44 (6), 914-921 (2011).
  7. Godugu, C., Singh, M. AlgiMatrix-Based 3D Cell Culture System as an In Vitro Tumor Model: An Important Tool in Cancer Research. Methods in Molecular Biology. 1379, 117-128 (2016).
  8. Amann, A., et al. Development of an innovative 3D cell culture system to study tumour--stroma interactions in non-small cell lung cancer cells. PLoS One. 9 (3), e92511 (2014).
  9. Chen, S., et al. Cancer-associated fibroblasts suppress SOX2-induced dysplasia in a lung squamous cancer coculture. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (50), E11671-E11680 (2018).
  10. Damelin, M., et al. Delineation of a cellular hierarchy in lung cancer reveals an oncofetal antigen expressed on tumor-initiating cells. Cancer Research. 71 (12), 4236-4246 (2011).
  11. Sapra, P., et al. Long-term tumor regression induced by an antibody-drug conjugate that targets 5T4, an oncofetal antigen expressed on tumor-initiating cells. Molecular Cancer Therapeutics. 12 (1), 38-47 (2013).
  12. Fischer, A. H., Jacobson, K. A., Rose, J., Zeller, R. Paraffin embedding tissue samples for sectioning. Cold Spring Harbor Protocols. 2008, pdb.prot4989 (2008).

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癌研究、問題157、3D共同培養、肺癌、癌関連線維芽細胞、アチナー形態形成、腫瘍オルガノイド
肺扁平上皮癌進行をモデル化する多次元共培養システム
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Chen, S., Giannakou, A., Golas, J.,More

Chen, S., Giannakou, A., Golas, J., Geles, K. G. Multidimensional Coculture System to Model Lung Squamous Carcinoma Progression. J. Vis. Exp. (157), e60644, doi:10.3791/60644 (2020).

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