Summary

Скрининг наркотиков первичного пациента, полученных опухоли Xenografts в зебрафиш

Published: April 10, 2020
doi:

Summary

Модели ксенотранспланта зебрафиш позволяют проводить скрининг с высокой пропускной мощностью и флуоресцентную визуализацию раковых клеток человека в микроокружении in vivo. Мы разработали рабочий процесс для крупномасштабного, автоматизированного скрининга лекарственных средств на образцах лейкемии, полученных от пациента, у зебры с помощью автоматизированного флуоресцентного микроскопа, оборудованного блоком визуализации.

Abstract

Пациент производные модели ксенотрансплантата имеют решающее значение в определении того, как различные виды рака реагируют на лечение наркотиками в системе in vivo. Мыши модели являются стандартом в этой области, но зебрафиш стали альтернативной моделью с рядом преимуществ, в том числе возможность высокой пропускной способности и недорогих наркотиков скрининга. Зебрафиш также позволяют для in vivo скрининга наркотиков с большими номерами репликации, которые ранее были доступны только с системами in vitro. Возможность быстро выполнять крупномасштабные экраны наркотиков может открыть возможность для персонализированной медицины с быстрым переводом результатов обратно в клинику. Модели ксенотрансплантата зебрафиш также могут быть использованы для быстрого скрининга на действия мутаций на основе реакции опухоли на целевую терапию или для выявления новых противораковых соединений из крупных библиотек. В настоящее время основным ограничением в этой области является количественное и автоматизация процесса, с тем чтобы экраны наркотиков можно было сделать в более широком масштабе и быть менее трудоемким. Мы разработали рабочий процесс для ксенотрансплантации первичных образцов пациентов в личинки зебры и выполнения крупномасштабных экранов наркотиков с помощью флуоресцентного микроскопа оборудованный блок визуализации и автоматизированный блок сэмплер. Этот метод позволяет стандартизировать и количественно привязать область опухоли и ответ на медикаментозное лечение в большом количестве личинок зебры. В целом, этот метод является выгодным по сравнению с традиционной клеточной культуры скрининга наркотиков, как это позволяет для роста опухолевых клеток в среде in vivo на протяжении всего лечения наркотиками, и является более практичным и экономически эффективным, чем мышей для крупномасштабных in vivo наркотиков экранов.

Introduction

Xenografting первичных раковых заболеваний пациента или раковых клеток человека линий в модель организмов является широко используемым методом для изучения прогрессирования опухоли и поведения in vivo, реакция опухоли на лечение наркотиков, и взаимодействие раковых клеток с микросредой, среди других. Традиционно, клетки ксенопригватом в иммунно-компрометированных мышей, и это остается стандартом в этой области. Тем не менее, эта модельная система имеет ряд ограничений, таких как высокая стоимость, низкие цифры репликации, трудности в точной количественной опухолевой нагрузки in vivo, и длительное время, которое требуется для опухолей, чтобы привить и тестирование на наркотики, которые должны быть завершены. В последние годы, зебравый стали альтернативной модели ксенотрансплантата, с первым сообщается в 2005 году, с зеленым флуоресцентным белком (GFP) помечены человеческой меланомы клеточных линий пересажены в бластулы стадии эмбрионов1,2. Совсем недавно, 2 дня после оплодотворения (dpf) личинки зебры были использованы в качестве получателей ксенотрансплантата, чтобы обеспечить контроль анатомического расположения инъекций и для использования в высоком разрешении in vivo изображений взаимодействия опухоли с окружающей микросредой3,4.

Зебрафиш предлагает много преимуществ в качестве модели ксенотрансплантата. Во-первых, взрослых зебры можно разместить и быстро разводить в больших количествах по относительно низкой цене. Каждая пара взрослых зебр ы может производить сотни личинок рыбы в неделю. Из-за их небольшого размера, эти личинки зебры могут быть сохранены в 96-колодцев для высокой пропускной связи наркотиков скрининга. Larvae не должны быть поданы в ходе типичного эксперимента ксенотрансплантата, так как их желток-мешок обеспечивает питательные вещества для поддержания их в течение первой недели жизни. Кроме того, зебрафиш не имеют полностью функциональной иммунной системы до 7 dpf, а это означает, что они не требуют облучения или иммуносупрессивных схем до инъекции ксенотрансплантата. Наконец, оптически четкие линии зебры позволяют с высоким разрешением изображения опухолево-микроэкологических взаимодействий.

Возможно, наиболее перспективным применением зебры в качестве модели ксенотрансплантата является способность выполнять высокопроизводительный скрининг наркотиков на образцах рака человека таким образом, что это невозможно с помощью любого другого модельного организма. Larvae поглощают наркотики из воды через кожу, повышая легкость введения препарата5. Поскольку животные поддерживаются в 96-колодцах, как правило, в 100-300 л воды, экраны требуют меньших количеств наркотиков по сравнению с мышами. В настоящее время существует несколько различных методов стандартизации и количественной оценки влияния препаратов на бремя опухолей человека у зебры, некоторые из которых являются более практичными, чем другие, для масштабирования одного тестирования на наркотики для скрининга с высокой пропускной стоимостью. Например, некоторые группы разъединяют рыбу на одноклеточные суспензии и количественно флуоресцентно помечены или окрашенные опухолевые клетки путем визуализации отдельных капель подвески и количественной флуоресценции с помощью полуавтоматическогоМакро-4ImageJ . Полуавтоматический метод визуализации цельноликов был разработан, в котором личиночные рыбы были зафиксированы в 96-колодцах пластин и изображены с помощью перевернутого флуоресцентного микроскопа перед перегруппировкой композитных изображений и количественной оценкой очагов опухолевых клеток6. Оба эти анализы являются довольно трудоемкими методами количественной оценки, которая сделала действительно высокой пропускной способ скрининга наркотиков в модели ксенотрансплантата зебра непрактично.

Этот вопрос был решен в результате разработки Vertebrate Автоматизированная технология скрининга (VAST) Bioimager и большой частицы (LP) Sampler, флуоресценция микроскоп оборудованный блок визуализации и автоматизированный блок сэмплер (Рисунок 1 и таблица материалов), который является действительно автоматизированным методом для высокой пропускной записи личинки зебры7,8,9. С помощью этого устройства, рыбы под анестетом, взяты автоматически из 96-колодец пластины, расположенные в капилляре и вращается в набор ориентации на основе заданных предпочтений пользователя, изображения, а затем либо помещены обратно в тот же колодец нового 96-ну пластины для дальнейших исследований или отбрасываются. Сочетание этой технологии визуализации с зебрафиш ксенотрансплантатов может позволить возможность персонализированной медицины, которая использует высокой пропускной связи скрининга наркотиков крупных библиотек соединения наркотиков против отдельных опухолей пациента. Кенотранспланты зебрафиш также предлагают крупномасштабный и недорогой метод для проверки токсичности и эффективности новых соединений in vivo. Зебрафиш может быть использован в качестве предварительного шага скрининга, прежде чем приступить к мыши ксенотрансплантат модели.

Мы разработали обтекаемый рабочий процесс для ксенотрансплантации первичных клеток лейкемии пациента в зебрафиш и выполнения высокой пропускной записи наркотиков экраны с автоматизированной визуализации и количественной оценки, которые могут быть применены к любой другой первичной опухолевых клеток пациента или раковой линии клеток. Этот рабочий процесс использовал флуоресцентный микроскоп оборудованный блок визуализации и автоматизированный блок сэмплердля для улучшения текущих методов стандартизации и количественной оценки и предлагает автоматизированную альтернативу предыдущим, более трудоемким методам количественной оценки опухолевой массы in vivo.

Protocol

Все процедуры, описанные в этом протоколе, были одобрены Институциональным комитетом по уходу и использованию животных Университета Кентукки (протокол 2015-2225). Образцы пациентов были собраны в рамках Институционального совета по обзору Университета Кентукки (протокол 44672). Все эксперим…

Representative Results

В соответствии с протоколом, описанным выше, зебрабыли были ксеноприжированы в желток и перикард с первичным пациентом PBMCs, которые были первоначально изолированы от Т-клеток острого лимфобластного лейкоза (T-ALL) пациента при диагностике и накренился как жизнеспособный, замороженный об…

Discussion

В этом исследовании мы продемонстрировали стандартизированный метод оттаивания и инъекции первичных клеток лейкемии пациента в зебрафиш в качестве модели ксенотрансплантата. Мы также установили протокол для высокой пропускной записи наркотиков скрининга ксенотрансвированных зебр…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было поддержано V Фонд V Стипендиат премии и NIH Гранты DP2CA228043, R01CA227656 (J.S. Блэкберн) и NIH Обучение Грант T32CA165990 (М.Г. Хэйни).

Materials

10x TBE Liquid Concentrate VWR 0658-5L
96-well plate, flat bottom CELLTREAT 229195 VAST is compatible with a variety of standard or deep well 24, 48, or 96 well plates
Agarose Fisher Scientific BP160-500
Borosilicate Glass Capillary without Filament Sutter Instrument Company B100-50-10
Dexamethasone Enzo Life Sciences BML-EI126-0001
DMSO Sigma-Aldrich D2438-5X10ML
E3 media N/A 5 mM NaCl, 0.17 mM KCl, 0.33 mM CaCl2, 0.33 mM MgSO4
Femtotips Microloader Tips Eppendorf 930001007
Fetal Bovine Serum (Premium Heat Inactivated) Atlanta Biologicals S11150H
ImageJ FIJI N/A https://imagej.net/Fiji
Iscove's Modified Dulbecco's Medium STEMCELL Technologies 36150
Large Particle (LP) Sampler Union Biometrica N/A automated sampler unit http://www.unionbio.com/copas/features.aspx?id=8
Methotrexate Sigma-Aldrich A6770-10MG
Mineral Oil Fisher Scientific BP26291
Phosphate Buffered Saline (1x) Caisson labs PBL06-6X500ML
Stage Micrometer (400-Stage) Hausser Scientific 400-S
Tricaine-S Pentair Aquatic TRS1
Trypan Blue Thermo Fisher T10282
VAST Bioimager Union Biometrica N/A fluorescent equipped microscope imaging unit https://www.unionbio.com/vast/
Vincristine Sulfate Enzo Life Sciences BML-T117-0005
Vybrant DiI Stain Thermo Fisher V22885

References

  1. Lee, L. M., Seftor, E. A., Bonde, G., Cornell, R. A., Hendrix, M. J. The fate of human malignant melanoma cells transplanted into zebrafish embryos: assessment of migration and cell division in the absence of tumor formation. Developmental Dynamics. 233 (4), 1560-1570 (2005).
  2. Topczewska, J. M., et al. Embryonic and tumorigenic pathways converge via Nodal signaling: role in melanoma aggressiveness. Nature Medicine. 12 (8), 925-932 (2006).
  3. Haldi, M., Ton, C., Seng, W. L., McGrath, P. Human melanoma cells transplanted into zebrafish proliferate, migrate, produce melanin, form masses and stimulate angiogenesis in zebrafish. Angiogenesis. 9 (3), 139-151 (2006).
  4. Corkery, D. P., Dellaire, G., Berman, J. N. Leukaemia xenotransplantation in zebrafish–chemotherapy response assay in vivo. British Journal of Haematology. 153 (6), 786-789 (2011).
  5. Rennekamp, A. J., Peterson, R. T. 15 years of zebrafish chemical screening. Current Opinion in Chemical Biology. 24, 58-70 (2015).
  6. Ghotra, V. P., et al. Automated whole animal bio-imaging assay for human cancer dissemination. PLoS One. 7 (2), 31281 (2012).
  7. Chang, T. -. Y. Y., Pardo-Martin, C., Allalou, A., Wählby, C., Yanik, M. F. Fully automated cellular-resolution vertebrate screening platform with parallel animal processing. Lab On a Chip. 12 (4), 711-716 (2012).
  8. Pardo-Martin, C., et al. High-throughput in vivo vertebrate screening. Nature Methods. 7 (8), 634-636 (2010).
  9. Pulak, R. Tools for automating the imaging of zebrafish larvae. Methods. 96, 118-126 (2016).
  10. Henn, K., Braunbeck, T. Dechorionation as a tool to improve the fish embryo toxicity test (FET) with the zebrafish (Danio rerio). Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology. 153 (1), 91-98 (2011).
  11. White, R. M., et al. Transparent adult zebrafish as a tool for in vivo transplantation analysis. Cell Stem Cell. 2 (2), 183-189 (2008).
  12. Paatero, I., Alve, S., Gramolelli, S., Ivaska, J., Ojala, P. Zebrafish Embryo Xenograft and Metastasis Assay. Bio-Protocol. 8 (18), (2018).
  13. Rosen, J. N., Sweeney, M. F., Mably, J. D. Microinjection of zebrafish embryos to analyze gene function. Journal of Visualized Experiments. (25), e1115 (2009).
  14. Cold Spring Harbor Laboratory Press. E3 medium (for zebrafish embryos). Cold Spring Harbor Protocols. 2011 (10), (2011).
  15. Wertman, J., Veinotte, C. J., Dellaire, G., Berman, J. N. The Zebrafish Xenograft Platform: Evolution of a Novel Cancer Model and Preclinical Screening Tool. Advances in Experimental Medicine and Biology. 916, 289-314 (2016).
  16. Tang, Q., et al. Optimized cell transplantation using adult rag2 mutant zebrafish. Nature Methods. 11 (8), 821-824 (2014).
  17. Moore, J. C., et al. Single-cell imaging of normal and malignant cell engraftment into optically clear prkdc-null SCID zebrafish. The Journal of Experimental Medicine. 213 (12), 2575-2589 (2016).
  18. Yan, C., et al. Visualizing Engrafted Human Cancer and Therapy Responses in Immunodeficient Zebrafish. Cell. 177 (7), 1903-1914 (2019).
  19. Kawahara, G., et al. Drug screening in a zebrafish model of Duchenne muscular dystrophy. Proceedings of the National Academy of Sciences of United States of America. 108 (13), 5331-5336 (2011).

Play Video

Cite This Article
Haney, M. G., Moore, L. H., Blackburn, J. S. Drug Screening of Primary Patient Derived Tumor Xenografts in Zebrafish. J. Vis. Exp. (158), e60996, doi:10.3791/60996 (2020).

View Video