تطوير وتحسين نموذج عضوي مشتق من سرطان الخلايا الكبدية البشرية لتحديد الهدف المحتمل واكتشاف الأدوية

Summary

نحن نقدم نظرة عامة شاملة وصقل البروتوكولات الحالية لتشكيل سرطان الخلايا الكبدية (HCC) ، والتي تشمل جميع مراحل زراعة الأعضاء العضوية. ويعمل هذا النظام كنموذج قيم لتحديد الأهداف العلاجية المحتملة وتقييم فعالية الأدوية المرشحة.

Abstract

سرطان الخلايا الكبدية (HCC) هو ورم منتشر ومميت للغاية في جميع أنحاء العالم ، واكتشافه المتأخر وعدم وجود عوامل علاجية محددة فعالة يستلزم مزيدا من البحث في التسبب في المرض والعلاج. حظيت الكائنات العضوية ، وهي نموذج جديد يشبه إلى حد كبير أنسجة الورم الأصلية ويمكن زراعتها في المختبر ، باهتمام كبير في السنوات الأخيرة ، مع العديد من التقارير حول تطوير نماذج عضوية لسرطان الكبد. في هذه الدراسة ، نجحنا في تحسين الإجراء وإنشاء بروتوكول استزراع يتيح تكوين عضويات HCC أكبر حجما مع ظروف مرور وثقافة مستقرة. لقد حددنا بشكل شامل كل خطوة من خطوات الإجراء ، والتي تغطي العملية الكاملة لتفكك أنسجة سرطان الكبد ، والطلاء العضوي ، والثقافة ، والمرور ، والحفظ بالتبريد ، والإنعاش ، وقدمنا احتياطات مفصلة في هذه الورقة. تظهر هذه الكائنات العضوية تشابها وراثيا مع أنسجة سرطان الكبد الأصلية ويمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة ، بما في ذلك تحديد الأهداف العلاجية المحتملة للأورام وتطوير الأدوية اللاحقة.

Introduction

حظي سرطان الخلايا الكبدية (HCC) ، وهو ورم منتشر ومتنوع على نطاق واسع¹ ، باهتمام كبير داخل المجتمع الطبي. يشير وجود لدونة النسب وعدم التجانس الكبير في سرطان الكبد إلى أن الخلايا السرطانية التي تنشأ من مرضى مختلفين وحتى آفات مميزة داخل نفس المريض قد تظهر سمات جزيئية ومظهرية مختلفة ، مما يمثل عقبات هائلة في تقدم الأساليب العلاجية المبتكرة^2،3،4،5. وبالتالي، هناك حاجة ملحة إلى تعزيز فهم الخصائص والآليات البيولوجية لمقاومة الأدوية في سرطان الكبد للاسترشاد بها في صياغة استراتيجيات علاجية أكثر فعالية.

في العقود الأخيرة ، كرس الباحثون جهودهم لتطوير نماذج في المختبر لغرض دراسة HCC ^3,4. على الرغم من بعض التطورات ، لا تزال القيود قائمة. تشمل هذه النماذج مجموعة من التقنيات ، مثل استخدام خطوط الخلايا والخلايا الأولية والطعوم الخارجية المشتقة من المريض (PDX). تعمل خطوط الخلايا كنماذج في المختبر لثقافة طويلة الأجل للخلايا السرطانية التي تم الحصول عليها من مرضى سرطان الكبد ، مما يوفر فوائد الراحة والتوسع السهل. تتضمن نماذج الخلايا الأولية العزلة المباشرة وزراعة الخلايا السرطانية الأولية من أنسجة ورم المريض ، مما يوفر تمثيلا للخصائص البيولوجية التي تشبه إلى حد كبير خصائص المرضى أنفسهم. تستلزم نماذج PDX زرع أنسجة ورم المريض في الفئران ، بهدف محاكاة نمو الورم والاستجابة له بأمانة أكبر. كانت هذه النماذج مفيدة في أبحاث سرطان الكبد ، ومع ذلك فهي تمتلك بعض القيود ، بما في ذلك عدم تجانس خطوط الخلايا وعدم القدرة على التكاثر الكامل في ظروف الجسم الحي. علاوة على ذلك ، قد تؤدي الزراعة المطولة في المختبر إلى تدهور الخصائص والوظائف الأصلية للخلايا ، مما يشكل تحديات في تمثيل الخصائص البيولوجية لسرطان الكبد بدقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام نماذج PDX يستغرق وقتا طويلا ومكلفا³.

لمعالجة هذه القيود وتكرار السمات الفسيولوجية لسرطان الكبد بشكل أكثر دقة ، تم تقديم استخدام التكنولوجيا العضوية كمنصة بحثية واعدة قادرة على تجاوز القيود السابقة. تتمتع الكائنات العضوية ، وهي نماذج خلايا ثلاثية الأبعاد مستزرعة في المختبر ، بالقدرة على تكرار بنية ووظائف الأعضاء الفعلية. ومع ذلك ، في سياق HCC ، توجد بعض التحديات في إنشاء نماذج عضوية. تشمل هذه التحديات أوصافا مفصلة بشكل غير كاف لإجراءات بناء HCC العضوي ، وعدم وجود بروتوكولات شاملة للعملية الكاملة لبناء الأعضاء HCC ، والحجم الصغير عادة للعضويات المستزرعة^6،7،8. في ضوء الأبعاد المحدودة عادة للعضويات المستزرعة ، سعينا لمواجهة هذه التحديات من خلال تطوير بروتوكول شامل يشمل كامل بناء عضوي HCC⁶. يشمل هذا البروتوكول تفكك الأنسجة ، والطلاء العضوي ، والثقافة ، والمرور ، والحفظ بالتبريد ، والإنعاش. من خلال تحسين الخطوات الإجرائية وتحسين تكوين وسط الاستزراع ، نجحنا في إنشاء نماذج عضوية HCC قادرة على النمو المستدام وتمرير ^6,8 على المدى الطويل. في الأقسام اللاحقة ، سيتم تقديم سرد شامل للتعقيدات التشغيلية والعوامل ذات الصلة التي ينطوي عليها بناء عضويات HCC.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

تم الحصول على أنسجة خزعة بشرية من المريض المعني في مستشفى السرطان التابع ومعهد جامعة قوانغتشو الطبية ، وتم الحصول على موافقة مستنيرة من المرضى. راجع جدول المواد للحصول على تفاصيل حول جميع المواد والكواشف والأدوات المستخدمة في هذا البروتوكول.

1. إنشاء عضويات سرطان الكبد المشتقة من المريض من العينات الجراحية

ملاحظة: يشمل إنشاء عضويات سرطان الكبد مراحل مختلفة ، وهي تفكك الأنسجة ، والطلاء العضوي ، والثقافة ، والمرور ، والحفظ بالتبريد ، والإنعاش. تتطلب عملية تفكك الأنسجة مدة 2 ساعة ، بينما يستغرق بذر المواد العضوية على طبق حوالي 40 دقيقة. بعد ذلك ، يخضع الجيل الأولي من عضويات سرطان الكبد لفترة استزراع من 10-14 يوما باستخدام وسط عزل سرطان الكبد. بمجرد تحقيق كثافة مرضية ، يتم إجراء الممرات العضوية ، الأمر الذي يتطلب 1 ساعة. ثم يتم الحفاظ على الثقافات اللاحقة للعضويات باستخدام وسط تمدد HCC لمدة 7-10 أيام ، والتي قد تختلف اعتمادا على معدل نمو وحالة المواد العضوية.

1. تفكك الأنسجة
   1. إعداد المستلزمات والمواد
      1. جمع 1-2 سم³ من أنسجة سرطان الكبد من المرضى الذين لم يتلقوا أي علاج موضعي أو جهازي سابق قبل العملية. بعد الاستئصال الجراحي ، احتفظ بالأنسجة عند 4 درجات مئوية في محلول حفظ الأنسجة (الجدول 1) حتى المعالجة.
         ملاحظة: عينات الأنسجة الطازجة عالية الجودة ضرورية لنجاح إنشاء المواد العضوية. من المهم معالجة العينات على الفور ، من الناحية المثالية في غضون 1-4 ساعات بعد الاستئصال الجراحي للحفاظ على صلاحية الأنسجة. تنفيذ جميع الإجراءات اللاحقة في بيئة معقمة باستخدام المواد والكواشف المعقمة.
      2. سخن ألواح زراعة الخلايا السطحية منخفضة للغاية (24 بئرا) لمدة 1 ساعة في حاضنة عند 37 درجة مئوية. قم بإذابة مستخلص الغشاء القاعدي المجمد (BME) طوال الليل عند 4 درجات مئوية حتى قبل الاستخدام مباشرة.
         ملاحظة: لضمان الذوبان الكامل ل BME ، يجب وضعه على الجليد لمدة 3 ساعات على الأقل. يعد الذوبان الكامل ل BME أمرا ضروريا لنجاح الثقافة العضوية في الخطوات اللاحقة.
      3. قبل الاستخدام ، تأكد من تسخين محلول الهضم (الجدول 1) إلى درجة حرارة 37 درجة مئوية.
         ملاحظة: تحضير محلول الهضم طازجا في بيئة معقمة واستخدامه على الفور.
   2. تدفق المعالجة التنظيمية
      1. في خزانة التدفق الصفحي ، قم بقطع أنسجة الورم إلى قطع صغيرة (0.5-1 مم³) باستخدام مقص جراحي على طبق بتري. انقل الأنسجة المقطوعة إلى أنبوب مخروطي سعة 15 مل وأضف 5-10 مل من الوسط القاعدي (الجدول 1).
         ملاحظة: يمكن تخزين الوسط القاعدي (الجدول 1) عند 4 درجات مئوية لمدة تصل إلى شهر واحد.
      2. استخدم ماصة باروتروبيك لغسل أكبر قدر ممكن من الدم واتركها لمدة 1-2 دقيقة لإزالة بعض المواد الطافية ، بما في ذلك أي خلايا دم وجلطات دهنية عائمة. كرر هذا الإجراء مرتين.
      3. أجهزة الطرد المركزي الخليط في 300 × غرام لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة ، وإزالة بعناية طف. أضف 5 مل من محلول الهضم المسخن مسبقا (الجدول 1) إلى الأنسجة المشذبة.
      4. قم بتدوير الأنبوب عند 37 درجة مئوية للهضم.
      5. بعد 30 دقيقة من الهضم الأولي ، ابحث عن مجموعات صغيرة من الخلايا تحت المجهر. تحقق كل 5-10 دقائق لتجنب فرط الهضم.
         ملاحظة: يعتمد الوقت اللازم لهضم الأنسجة على حجم ونوع الأنسجة. يجب ألا يتجاوز هضم الأنسجة 90 دقيقة. سوف تظهر الأنسجة المهضومة تحت المجهر كورقة كبيرة من الخلايا الفردية. يشار إلى المستوى المناسب من الهضم من خلال حقيقة أن معظم هذه هي مجموعات الخلايا ولها مظهر يشبه العنب.
      6. توقف عن الهضم عن طريق إضافة وسط قاعدي بارد (الجدول 1) وقم بالتصفية في أنبوب جديد سعة 50 مل مع مرشح خلية 100 ميكرومتر. أضف الوسط القاعدي البارد إلى حجم 50 مل.
      7. أجهزة الطرد المركزي الخلايا في 2 × غرام لمدة 10 دقائق عند 8 درجات مئوية. قم بإزالة المادة الطافية بعناية وأعد تعليق الحبيبات بإضافة 50 مل أخرى من الوسط القاعدي البارد (الجدول 1). كرر هذه الخطوة مرتين.
         ملاحظة: يستخدم الطرد المركزي منخفض السرعة للسماح لمجموعات الخلايا الصغيرة بالاستقرار ، بينما لا تزال خلايا الدم وحطام الخلايا معلقة في المادة الطافية ؛ تتكرر العملية عدة مرات للحصول على كتلة خلايا الأنسجة النقية نسبيا.
2. الطلاء العضوي
   1. بعد الغسيل الثاني ، قم بإزالة أكبر قدر ممكن من المادة الطافية وأعد تعليق العدد المطلوب من الخلايا (1000-5000 خلية لكل بئر من صفيحة 24 بئرا) في BME المناسب للطلاء.
      ملاحظة: احتفظ دائما ب BME عند 4 درجات مئوية قبل الاستخدام.
   2. أضف BME وقم بتعليق مجموعات الخلايا الصغيرة في Advanced DMEM / F-12 عن طريق إضافة BME وسحب السحب برفق لأعلى ولأسفل حتى يتم تعليق تجميعات الخلايا تماما. السيطرة على تركيز BME بين 30 ٪ و 50 ٪.
   3. بذور 50 ميكرولتر قطرات BME مختلطة مع مجموعات الخلايا في وسط لوحات استزراع 24 بئرا.
      ملاحظة: قدر الإمكان ، لا تدع القطرات تنتشر على الجدار الجانبي للوحة البئر. الجدار الجانبي للوحة منخفضة الامتزاز ليس في حالة امتصاص منخفض ، وسيؤدي التلامس بين القطرات والجدار الجانبي إلى الالتصاق ، وهو ما لا يفضي إلى الحضانة اللاحقة.
   4. اترك الألواح التي تحتوي على القطرات المضافة لتتصلب عند 37 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة. في نهاية الحضانة ، أضف 500 ميكرولتر من الوسط المسخن مسبقا (الجدول 1) إلى كل بئر واحتضانها في حاضنة الخلايا عند 37 درجة مئوية.
3. ثقافة العضوية
   1. قم بتحديث وسيط الثقافة (الجدول 1) مرة كل 2-3 أيام. في بداية الاستزراع ، استزراع عضويات سرطان الكبد في وسط عزل سرطان الكبد (الجدول 1) لمدة أسبوعين.
   2. بعد أسبوعين من الحضانة بوسط عزل سرطان الكبد، استبدل الوسط بوسط تمدد عضوي لسرطان الكبد (الجدول 1) (يخزن في درجة حرارة 4 درجات مئوية لمدة تصل إلى أسبوعين).
   3. قم بتحديث وسيط الثقافة مرة كل 3 أيام.
   4. بعد 7-10 أيام من الزراعة باستخدام وسط تمدد HCC عندما يصل العضو العضوي إلى الكثافة أو الحجم المناسب ، ابدأ التدخلات التجريبية أو المرور أو تجفيف المواد العضوية حسب الحاجة.
4. المرور العضوي
   1. إعداد المستلزمات والمواد
      1. سخن ألواح زراعة الخلايا السطحية منخفضة للغاية (24 بئرا) لمدة 1 ساعة في حاضنة عند 37 درجة مئوية. قم بإذابة BME المجمد طوال الليل عند 4 درجات مئوية حتى قبل الاستخدام مباشرة.
      2. يسخن محلول الحصاد العضوي وبديل التربسين على حرارة 37 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
   2. عملية المرور
      1. بعد إزالة وسط الاستزراع من لوحة البئر ، انقل التعليق العضوي إلى أنبوب سعة 15 مل.
      2. أضف محلول حصاد عضوي وفقا لكمية BME (500 ميكرولتر من محلول الحصاد العضوي لكل 50 ميكرولتر من BME) عن طريق الكشط والسحب لأعلى ولأسفل باستخدام مسدس ماصة 1000 ميكرولتر.
         ملاحظة: تجنب فقاعات الهواء طوال العملية لمنع فقدان المواد العضوية لأن وجود فقاعات الهواء يشير إلى ارتفاع ضغط الماصة.
      3. احتضان لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة.
      4. قم بشفط BME برفق باستخدام ماصة 1000 ميكرولتر ولاحظ أن BME قد ذاب تماما. راقب كل 10 دقائق حتى يتم ملاحظة مجموعة خلايا عضوية واضحة ، ثم أجهزة الطرد المركزي عند 400 × جم لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة وإزالة أكبر قدر ممكن من المادة الطافية.
         ملاحظة: في هذه المرحلة ، يمكن تجميد العضو العضوي والحفاظ عليه.
      5. للهضم الأنزيمي للعضويات ، أضف 1-5 مل من بديل التربسين (وفقا لعدد الكائنات العضوية) واحتضانه عند 37 درجة مئوية لمدة دقيقتين. لاحظ تحت المجهر درجة الهضم الأنزيمي لتحديد ما إذا كانت الكائنات العضوية تنفصل إلى مجموعات صغيرة من 2-10 خلايا ؛ إذا لم يكن كذلك ، استمر في الهضم الأنزيمي.
         ملاحظة: سيؤدي الإفراط في الهضم إلى تحلل مجموعات الخلايا العضوية إلى خلايا مفردة ، مما يقلل من صلاحيتها ويطيل وقت المزرعة اللاحق.
      6. أضف الحجم المناسب من الوسط القاعدي البارد (الجدول 1) لوقف عملية الهضم.
      7. أجهزة الطرد المركزي المواد العضوية عند 400 × جم لمدة 5 دقائق عند 8 درجات مئوية ؛ إزالة طاف قدر الإمكان.
      8. أعد تعليق العدد المطلوب من المواد العضوية (1000-5000 عضوي لكل بئر من لوحة 24 بئرا) في المصفوفة المناسبة للطلاء. اتبع نفس الخطوات كما في القسم 1.2.
         ملاحظة: يجب تحسين كثافة الطلاء وفقا لمعدل نمو وحجم المواد العضوية.
      9. مرور المواد العضوية كل 10 أيام بنسبة 1: 3 أو 1: 4 اعتمادا على كثافة نمو المواد العضوية.
5. الحفظ بالتبريد العضوي والإنعاش
   1. الحفظ بالتبريد للمواد العضوية
      1. تحضير أنابيب التجفيد ، كل أنبوب يتلاقى مع بئرين من لوحة 24 بئر تحتوي على عضويات.
      2. اتبع الخطوات من 1.4.2.1 إلى 1.4.2.4 لتمرير المواد العضوية للحصول على المواد العضوية بدون BME ، وأعد تعليق المواد العضوية برفق عن طريق إضافة 500 ميكرولتر / بئر من محلول التجفيد العضوي إلى لوحة 24 بئرا.
         ملاحظة: اعتمادا على حالة نمو وحجم المواد العضوية ، يوصى بحفظ المواد العضوية بالتبريد في الثقافة حتى الجيل الثالث.
      3. انقل التعليق إلى أنابيب التجفيد وضعه في صندوق مبرد بالتدرج عند -80 درجة مئوية. بعد التبريد المتدرج عند -80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة على الأقل ، انقل الأنابيب إلى النيتروجين السائل للتخزين طويل الأجل.
   2. إنعاش المواد العضوية
      1. احتضان الأنابيب المجففة بالتجميد في حمام مائي 37 درجة مئوية وتوقف عن الحضانة عندما تبقى كتلة صغيرة فقط من الجليد.
      2. جهاز طرد مركزي عند 400 × جم لمدة 5 دقائق عند 8 درجات مئوية لإزالة المادة الطافية تماما.
      3. اتبع القسمين 1.2 و 1.3 للعمليات اللاحقة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

عند تنفيذ الإجراء المذكور أعلاه ، يمكن ملاحظة ظهور كرويات عضوية HCC عادة في غضون 3 أيام (الشكل 1). يوضح الشكل 1 أ ، ب عضوي HCC الثابت ، والذي يطور على الفور كرويات مدمجة تتميز بحواف مستديرة وسيتوسول نافذ في اليوم الأول من التأسيس. أثناء نمو عضويات سرطان ا?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

تكمن إحدى الفوائد الملحوظة للنماذج العضوية المشتقة من المريض في قدرتها على تكرار الخصائص البيولوجية للأورام بأمانة ، بما في ذلك بنية الأنسجة والمشهد الجينومي. تظهر هذه النماذج مستوى ملحوظا من الدقة وتعكس بشكل فعال عدم تجانس الأورام وتطورها ، حتى على مدى فترات طويلة من الزراعة⁶

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
[Leu15]-gastrin I human	Merck	G9145
1.5 mL Microtubes	Merck	AXYMCT150LC
A8301 (TGFβ inhibitor)	Tocris Bioscience	2939
B27 Supplement (503), minus vitamin A	Thermo Fisher Scientific	12587010
B-27 Supplement (503), serum-free	Thermo Fisher Scientific	17504044
BMP7	Peprotech	120-03P
Cell strainer size 100 μm	Merck	CLS352360
CHIR99021	Merck	SML1046
Collagenase D	Merck	11088858001
Corning Costar Ultra-Low	Merck	CLS3473
Costar 24-well Clear Flat Bottom Ultra-Low Attachment Multiple Well Plates, Individually Wrapped, Sterile	Corning	3473
Costar 6-well Clear Flat Bottom Ultra-Low Attachment Multiple Well Plates, Individually Wrapped, Sterile	Corning	3471
Cultrex Organoid Harvesting Solution	R&D SYSTEMS	3700-100-01	Organoid harvesting solution
Cultrex Reduced Growth Factor BME, Type 2 PathClear (BME)	Merck	3533-005-02
DAPT	Merck	D5942
Dexamethasone	Merck	D4902
DMSO	Merck	C6164
DNaseI	Merck	DN25
Dulbecco's Modified Eagle Medium/Ham's F-12	Thermo Fisher Scientific	12634028	Advanced DMEM/F-12
Earle’s balanced salt solution (EBSS)	Thermo Fisher Scientific	24010043
Forceps	N/A	N/A
Forskolin	Tocris Bioscience	1099
GlutaMAX supplement	Thermo Fisher Scientific	35050061
HEPES, 1 M	Thermo Fisher Scientific	15630080
Leica DM6 B Fluorescence Motorized Microscope	Leica	N/A
N2 supplement (1003)	Thermo Fisher Scientific	17502048
N-acetylcysteine	Merck	A0737-5MG
Nicotinamide	Merck	N0636
Nunc 15 mL Conical Sterile Polypropylene Centrifuge Tubes	Thermo Fisher Scientific	339651
Nunc 50 mL Conical Sterile Polypropylene Centrifuge Tubes	Thermo Fisher Scientific	339653
Penicillin/streptomycin (10,000 U/mL)	Thermo Fisher Scientific	15140122
Recombinant human EGF	Peprotech	AF-100-15
Recombinant human FGF10	Peprotech	100-26
Recombinant human FGF19	Peprotech	100-32
Recombinant human HGF	Peprotech	100-39
Recombinant human Noggin	Peprotech	120-10C
Rho kinase inhibitor Y-27632 dihydrochloride	Merck	Y0503
R-spodin1-conditioned medium	(Broutier et al.)	N/A	Secretion of cell lines
Surgical scissors	N/A	N/A
Surgical specimen of tumor removed from HCC patients	Affiliated Cancer Hospital and Institute of Guangzhou Medical University	N/A
TNFα	Peprotech	315-01A
TrypLE Express Enzyme (1x), no phenol red	Thermo Fisher Scientific	12604013	Trypsin substitute
Wnt-3a-conditioned medium	(Broutier et al.)	N/A	Secretion of cell lines