Generación de medios y aplicaciones acondicionado de órganos para el estudio de las influencias específicas de órganos en el seno cáncer metastásico Comportamiento

Resumen

This manuscript describes an ex vivo model system comprised of organ-conditioned media derived from the lymph node, bone, lung, and brain of mice. This model system can be used to identify and study organ-derived soluble factors and their effects on the organ tropism and metastatic behavior of cancer cells.

Resumen

Breast cancer preferentially metastasizes to the lymph node, bone, lung, brain and liver in breast cancer patients. Previous research efforts have focused on identifying factors inherent to breast cancer cells that are responsible for this observed metastatic pattern (termed organ tropism), however much less is known about factors present within specific organs that contribute to this process. This is in part because of a lack of in vitro model systems that accurately recapitulate the organ microenvironment. To address this, an ex vivo model system has been established that allows for the study of soluble factors present within different organ microenvironments. This model consists of generating conditioned media from organs (lymph node, bone, lung, and brain) isolated from normal athymic nude mice. The model system has been validated by demonstrating that different breast cancer cell lines display cell-line specific and organ-specific malignant behavior in response to organ-conditioned media that corresponds to their in vivo metastatic potential. This model system can be used to identify and evaluate specific organ-derived soluble factors that may play a role in the metastatic behavior of breast and other types of cancer cells, including influences on growth, migration, stem-like behavior, and gene expression, as well as the identification of potential new therapeutic targets for cancer. This is the first ex vivo model system that can be used to study organ-specific metastatic behavior in detail and evaluate the role of specific organ-derived soluble factors in driving the process of cancer metastasis.

Introducción

El cáncer de mama es el cáncer más frecuentemente diagnosticado en mujeres y la segunda causa principal de muertes relacionadas con el cáncer ^1. alta tasa de mortalidad de cáncer de mama se debe principalmente a la falta de la terapia convencional para mitigar y eliminar la enfermedad metastásica; aproximadamente el 90% de las muertes relacionadas con el cáncer se deben a la metástasis ^2. La comprensión de los mecanismos moleculares subyacentes de la cascada metastásica es de suma importancia para el desarrollo de terapias eficaces tanto en temprano y el cáncer de seno en etapa tardía.

Las investigaciones anteriores han ayudado a aclarar la naturaleza de múltiples etapas de la metástasis del cáncer de mama y se plantea la hipótesis de que el resultado de la progresión de cáncer y la metástasis depende en gran medida de las interacciones entre las células cancerosas y el entorno de acogida ^3. Las observaciones clínicas indican que muchos tipos de cáncer presentan tropismo de órganos, es decir., La tendencia a la metástasis preferentemente a lo específico organs.In el case de cáncer de mama, la enfermedad de un paciente típicamente se extiende o metástasis a 5 sitios principales, incluyendo el hueso, los pulmones, los ganglios linfáticos, el hígado y el cerebro ^4-6. Muchas teorías se han desarrollado para explicar este proceso, pero sólo unos pocos han resistido la prueba del tiempo. La teoría de Ewing de metástasis, se propone en la década de 1920, la hipótesis de thatthe distribución de la metástasis era estrictamente debido a factores mecánicos; por el que las células tumorales se llevan a través del cuerpo por los patrones de flujo de la sangre fisiológica definidos normales y simplemente detienen en el primer lecho capilar que encuentran ^7. Por el contrario, "semilla y del suelo" hipótesis de Stephen Paget 1889 sugirió que las interacciones moleculares adicionales fueron responsables de la supervivencia y el crecimiento de metástasis, en el que las células cancerosas ( "semillas") sólo pueden establecerse y microambientes de órganos proliferatein que producen factores moleculares apropiados ( "suelo ") ^8. Casi un siglo más tarde, Leonard Weiss bajotomó un meta-análisis de los datos publicados anteriormente de la autopsia y se confirmó la predicción de Ewing que muchos tumores metastásicos detectados en el momento de la autopsia se encontraron en las proporciones previstas que se esperarían si metastásico tropismo órgano fue determinado por patrones de flujo sanguíneo solo. Sin embargo, en manyinstances hubo menos o más metástasis formadas en ciertos sitios a continuación, se podría esperar por factores mecánicos propuestos ⁹ de Ewing. Estas cuentas y teorías sugieren que los microambientes de órganos específicos desempeñan un papel fundamental en los patrones de difusión y posterior crecimiento y la supervivencia de muchos tipos de cáncer, incluyendo el cáncer de mama.

Últimos esfuerzos de investigación se han centrado principalmente en los factores derivados de células del tumor y su contribución al tropismo de órganos observado en la metástasis del cáncer de mama ^10-12, factores sin embargo pocos estudios han explorado derivados del microambiente de órganos que pueden proporcionar un nicho favorable para el establecimientode metástasis de cáncer de mama. Esto se debe en gran parte a las dificultades técnicas de estudio de los componentes del microambiente de órganos in vitro.

El presente artículo describe un sistema ex vivo integral modelo para el estudio de la influencia de los componentes solubles de los ganglios linfáticos, hueso, pulmón, cerebro y en el comportamiento metastásico de células de cáncer de mama humano. Estudios anteriores han validado este modelo de sistema mediante la demostración de que las diferentes líneas celulares de cáncer de mama muestran un comportamiento maligno de células línea específica y órgano-específica en respuesta a los medios de comunicación de órganos acondicionado que corresponde a su in vivo potencial metastásico ^13. Este sistema modelo se puede utilizar para identificar y evaluar los factores solubles de órganos derivados específicos que pueden desempeñar un papel en el comportamiento metastásico de mama y otros tipos de células cancerosas, incluyendo las influencias sobre el crecimiento, la migración, el comportamiento y la expresión de genes como tallo, así como la identificación deposibles nuevas dianas terapéuticas para el cáncer. Este es el primer sistema de modelo ex vivo que se puede utilizar para estudiar el comportamiento metastásico de órganos específicos en detalle y para evaluar el papel de los factores solubles derivados de órganos en la conducción del proceso de la metástasis del cáncer.

Protocolo

Se llevaron a cabo todos los estudios con animales de acuerdo con las recomendaciones del Consejo Canadiense de los Animales, en virtud de los protocolos aprobados por la Universidad de Western Uso de Animales Subcomité.

1. Aislamiento de órganos (pulmón, cerebro, hueso, de ganglios linfáticos)

1. Prepare cuatro estéril de 50 ml tubos cónicos (uno para cada órgano a ser aislado) que contiene aproximadamente 30 ml de solución salina tamponada con fosfato estéril (PBS). Pre-sopesar cada tubo de PBS utilizando una balanza electrónica.
2. La eutanasia de 6-12 semanas de edad ratones por inhalación de _CO2. Los ratones se deben dejar en la cámara de CO ₂ durante aproximadamente 1 - 2 min o hasta que el ratón deja de moverse y la respiración. la eutanasia exitosa puede confirmarse aún más por la falta de latidos del corazón cuando está marcada de forma manual con un dedo. Evitar la dislocación cervical ya que este método puede romper los vasos sanguíneos del cuello que lleva a dificultades para retirar los ganglios linfáticos axilares.
   Nota: El trabajo previo ha utilizado específicamenteratones desnudos femeninos sanos, Hsd: atímicos ^nu Nude- Foxn1 ^13.
3. En una campana de cultivo de tejido estéril, colocar el ratón sobre su espalda en un cojín de espuma de poliestireno, difundir las extremidades y el uso de alfileres para mantenerlas en su lugar.
4. El uso de pinzas y tijeras estériles, cortar la piel abdominal en la línea media en los genitales y cortar hacia arriba, hacia la boca. Tire suavemente la piel abdominal de los músculos abdominales y el pin en su lugar en la almohadilla de espuma de poliestireno.
5. Busque la axilar, braquial, y los ganglios linfáticos inguinales.
   Nota: Los ganglios linfáticos suelen estar rodeados de tejido graso. Los ganglios linfáticos inguinales son los más fáciles de localizar ya que se encuentran superficialmente en la unión de dos vasos sanguíneos en la piel abdominal retirado. Axilares y ganglios linfáticos braquial se encuentran más profundamente dentro del tejido y requieren maniobras suaves del tejido.
   1. Después de haber localizado los ganglios linfáticos, usar las tijeras para cortar con mucho cuidado la linfa sindes de la piel, la grasa y los vasos y eliminarlas del ratón. Para confirmar la disección adecuada, rodar el fórceps sobre el tejido extirpado. Si existe un bulto duro al rodar el fórceps sobre el tejido, a continuación, un ganglio linfático ha probablemente ha eliminado con éxito.
   2. Coloque los ganglios linfáticos en PBS frío.
6. Usando las pinzas y tijeras, abrir la cavidad abdominal mediante incisión en la pared abdominal expuesta en un movimiento ascendente hacia el pecho. Corte con cuidado a través del esternón, exponiendo la cavidad torácica.
7. Situar la membrana debajo de los pulmones y cortar el diafragma. Se debe tirar hacia las costillas debido a la tensión.
8. Levantar los pulmones desde abajo y cortar el tejido subyacente hacia la tráquea. Esto permite que los pulmones para ser removidos libremente de la cavidad torácica. Quitar el corazón y los pulmones en bloque y colocar en PBS frío. El corazón puede ser retirado de los pulmones aquí o simplemente antes de la pesada en el paso 2.
9. Eliminar elpasadores, manteniendo el ratón en su lugar en la almohadilla de espuma de poliestireno. Ponga el ratón y cortar la piel de la espalda baja todo el camino al otro lado de flanco a flanco.
10. Con un trozo de gasa estéril para mantener el torso del ratón, pelar la piel hacia atrás del ratón sobre las piernas y los pies del ratón.
11. Utilizando el mismo trozo de gasa estéril, mantenga la pierna en su lugar, cuidadosamente romper la articulación del tobillo del pie del ratón y pelar la piel sobre la articulación proximal hacia la articulación de la rodilla.
12. Con unas tijeras, retire la tibia libre de la articulación de la rodilla y colocar en PBS frío.
13. Repetir los pasos 1,11) a 1,12) con el miembro opuesto.
14. Con unas pinzas, mantenga el fémur en su lugar, cortar el tejido circundante muscular usando las tijeras y retire el fémur, colocándolo en PBS frío.
15. Repita el paso 1.14) con el miembro opuesto.
16. El uso de un nuevo trozo de gasa estéril, mantenga la cabeza del ratón en su lugar. El uso de pinzas y tijeras, retire suavemente la piel para exponer los sKull. Con unas tijeras, cortar cuidadosamente el cráneo occipital del centro de la parte superior en una línea recta y hacia abajo para exponer el cerebro posterior.
17. Con unas pinzas, cuchara debajo del cerebro hacia la parte anterior y remover todo el cerebro. Coloque el cerebro en PBS enfriado en hielo.
18. Repetir los pasos 1.1) a 1,17) durante al menos cuatro ratones.

2. Con un peso de órganos

1. Después del aislamiento de órganos, pesar cada tubo de PBS que contiene de pulmón y tejido cerebral usando una balanza electrónica.
2. Calcular la diferencia de peso restando el peso pre-aislamiento (PBS) a partir del peso del tubo de PBS + órganos (pulmón y cerebro).
3. Determinar la cantidad de medios de comunicación necesarios para volver a suspender los fragmentos de tejido a partir de la diferencia de peso calculada.
   Nota: pulmón y el tejido cerebral son de peso normalizado por resuspensión en una relación 4: 1 los medios de comunicación: relación de tejido (vol / peso).

3. Generación de Medios Lung-neuronas del asta posterior acondicionado

1. En un t estériltema cultura capó, invertir los tubos de PBS que contiene los pulmones o el cerebro tres veces para eliminar la sangre residual de órganos y aspirado de PBS que contenía la sangre. Repita con PBS frío fresco hasta que la solución aparece clara, sin evidencia de sangre.
2. Coloque los pulmones y el cerebro en separadas 60 mm ² placas de Petri de vidrio. El uso de dos hojas de bisturí estériles, los pulmones de carne picada o cerebros por corte repetidamente hacia atrás y adelante hasta que los fragmentos de tejido son aproximadamente ~ 1 mm ³ en tamaño.
3. fragmentos de tejido Resuspender en volumen apropiado (determinado previamente en el paso 2.3) de Dulbecco medio de Eagle modificado (DMEM): medio F12 suplementado con 1x concentró suplemento mitógeno y penicilina (50 mg / ml) / estreptomicina (50 mg / ml).
4. Añadir pulmonares o tejido cerebral fragmentos resuspendidos a un pocillo de una placa de 6 pocillos.
5. Incubar los fragmentos de tejido en medios durante 24 horas a 37 ° C y 5% de CO _2. Después de la incubación, recoja acondicionado medios de comunicación para cada tejido y fás diluir mediante la adición de tres volúmenes equivalentes de medio fresco en un tubo cónico de 50 ml.
6. Centrifugar a 1000 xg en medio condicionado diluido para cada órgano a 4 ° C durante 15 min para eliminar los residuos de tejido de gran tamaño. Recoger el sobrenadante medios y filtrar a través de un filtro de jeringa de 0,22 micras.
7. Piscina acondicionado medios de comunicación de cada órgano (es decir., Pulmón con cáncer de pulmón y el cerebro con el cerebro) a partir de varios ratones para tener en cuenta la variabilidad-ratón-a-ratón. Alícuota y almacenar los medios condicionados a -80 ° C hasta su uso.

4. Generación de medios acondicionados de la médula ósea

1. En una campana de cultivo de tejido estéril, recortar el exceso de tejido de la médula y quitar epífisis (piezas de terminación) de los huesos con unas tijeras.
2. El uso de un 27 ½ G aguja, la cavidad medular de los huesos ras empujando 1 ml de PBS a través del centro de cada hueso. Esto le permitirá tomar muestras de células estromales de la médula ósea (BMSC) en un tubo nuevo que contenía PBS.
3. Centrifugar a 1,000 xg durante 5 min a 4 ° C y se lava dos veces con PBS BMSC. Resuspender las células estromales de médula ósea en 20 ml de medio de crecimiento de las células estromales de la médula (DMEM: F12 suplementado con 1x concentran mitógeno suplemento, penicilina (50 mg / ml) / estreptomicina (50 mg / ml) y 10% de suero Boven fetal (FBS) ).
4. Placa 10 ml de células estromales de médula ósea se resuspendieron en un matraz T75.
   Nota: Combinar y células de la placa de cada 2 ratones en cada matraz T75; de cuatro ratones, dos matraces T75 se necesitan (aproximadamente 1 x 10 ⁷ células / frasco).
5. Se incuban las células estromales de médula ósea en los medios de crecimiento de las células estromales de la médula durante 24 horas a 37 ° C y 5% de CO _2. Después de la incubación, quitar el medio de los dos matraces T75 y poner en frasco nuevo T75, etiquetar este matraz como "flotador Frasco". Añadir medio de cultivo de células estromales de la médula fresca de 2 frascos anteriores e incubar los 3 matraces a 37 ° C y 5% de CO _2.
6. Después de células alcanzan aproximadamente el 70% de confluencia (aproximadamente 5-7días) las células pasaje. Para ello, retire medio y lavar las células dos veces con PBS (3 ml cada lavado). Retirar PBS y añadir 3 ml de solución de tripsina / EDTA, asegurando que la tripsina cubre toda la superficie del matraz. Después las células se levantan del matraz (~ 2-3 min), deje de tripsinización reacción mediante la adición de 3 estroma medio de crecimiento de células ml hueso). Centrifugar 900 xg durante 5 min a 4 ° C, tirar medios de comunicación, y volver a suspender las células en 10 ml de medio de crecimiento de células estromales de la médula fresca.
7. Las células de la piscina de todos los frascos y el paso 1: 5 en tres nuevos matraces T75 y se incuba a 37 ° C y 5% de _CO2. Después las células lleguen de nuevo a 70%, repita el paso 4.6 y piscina y de paso todas las células adherentes por segunda vez. Re-placa de todas las células a cuatro matraces T75 e incubar 37 ° C y 5% de _CO2. medios de cultivo de células estromales de médula se debe utilizar para todas las medidas.
8. Permitir que las células alcanzan la confluencia, las células se lavan tres veces con PBS y se añaden estroma medio de recolección de células óseas (DMEM: F12 medios + 1x mitógeno concentrado dopplement + penicilina (50 mg / ml) / estreptomicina (50 mg / ml); 10 ml / T75), asegurándose de que este medio está libre de FBS. Recoger los medios de médula ósea acondicionado 72 horas más tarde, se filtra a través de un filtro de 0,22 micras, piscina, alícuota y se almacena a -80 ° C hasta su uso.
9. Si se desea, confirmar el fenotipo de las células del estroma de la médula ósea aisladas (BMSC) utilizando anticuerpos contra Sca-1 de ratón, CD105, CD29, y CD73, CD44, usando citometría de flujo estándar técnicas como se ha descrito previamente ^13.

5. Generación de Medios acondicionado Linfonodular

1. En una campana de cultivo de tejido estéril, invertir tubo de PBS que contenía ganglios linfáticos tres veces para eliminar sangre residual de los ganglios linfáticos y el aspirado sangrienta PBS. Repita con PBS frío fresco hasta que la solución aparece clara, sin evidencia de sangre.
2. Coloque los ganglios linfáticos en placas de Petri de 60 mm ² de vidrio. El uso de dos hojas de bisturí estériles, picadillo de ganglios linfáticos por corte repetidamente hacia atrás y adelante hasta que tissufragmentos de correos son de aproximadamente 1 mm ³ en tamaño.
3. En un tubo cónico, fragmentos de tejido se resuspende en 10 ml de Roswell Park Memorial Institute 1640 (RPMI 1640) medio suplementado con penicilina (50 mg / ml) / estreptomicina (50 mg / ml), 5 x 10 ^-5 M β-mercaptoetanol (estéril 1,75 l / 500 ml de medio) y 10% de FBS.
4. Centrifugar a 900 xg durante 5 min a 4 ° C y volver a suspender todas las células en 30 ml de medio. Añadir 5 ml de medio / pocillo en una placa de 6 pocillos y se incuban durante 7 días a 37 ° C y 5% de _CO2.
5. Después de la incubación de 7 días, descartar los medios de comunicación, lavar las células adherentes con 5 ml de PBS caliente y añadir 5 ml de medio fresco a cada pocillo. Permitir que las células crecen hasta la confluencia (aproximadamente 5 - 7 días), trypsinize, piscina para todas las células, y el paso como se describe en el paso 4.6. células re-placa a placa de 6 pocillos. Repita este paso tres veces.
6. Después de tres pasajes, permiten que las células crezcan hasta confluencia, se lavan los pocillos tres veces con PBS y añadir 2 ml / pocillo de DMEM: F12 + 1xsuplemento concentrado mitógeno y penicilina (50 mg / ml) / estreptomicina (50 mg / ml), asegurándose de que este medio está libre de FBS. Recoger los medios de comunicación con ganglios linfáticos acondicionado después de 72 horas, piscina, alícuota y se almacena a -80 ° C hasta su uso.
7. Si se desea, confirmar el fenotipo de las células de los ganglios linfáticos estromales aisladas (LNSC) utilizando anticuerpos contra CD45 de ratón y GP38, utilizando citometría de flujo estándar técnicas como se ha descrito previamente ^13.

6. El uso de los medios de comunicación acondicionado de órganos para los ensayos intermedios relacionados con el comportamiento metastásico de células de cáncer

1. Una vez que los medios de comunicación de órganos acondicionado se ha generado como se describe en los pasos 1 - 5, lo utilizan para llevar a cabo diferentes células de aguas abajo y los ensayos de biología molecular con el fin de determinar la influencia de los factores de órganos derivados solubles en el comportamiento metastásico de las células cancerosas. Ejemplos de ensayos convencionales (descritas en otra parte en la literatura) incluyen arrays de proteínas, ¹³ ensayos de crecimiento celular ^{Ensayos 13, la migración celular 13, tumorsphere formación 14, y RT-PCR 15. Los medios de comunicación de base original usada para generar los medios de órgano-acondicionado (es decir, no condicionado DMEM:. Medio F12 suplementado con 1x concentró suplemento mitógeno y penicilina (50 mg / ml) / estreptomicina (50 mg / ml) se debe utilizar como un control negativo .}

Resultados

Generación de Medios de órganos acondicionado

Un diagrama general / esquemático del proceso de aislamiento de órganos y generación de medios acondicionados se presenta en la Figura 1, con las imágenes fotográficas representativas del procedimiento que se muestra en la Figura 2. Debe tenerse en cuenta que cuando este protocolo era primera fase de desarrollo, se incluyó ...

Discusión

La metástasis es un proceso complejo por el cual una serie de eventos celulares que son en última instancia responsable de la invasión de tejidos y tumores distantes establecimiento ^4,30,31. El sistema modelo ex vivo que aquí se presenta puede ser utilizado para estudiar dos aspectos importantes de la progresión metastásica: vivienda de células de cáncer o de migración a un órgano específico ( "llegar allí") y el crecimiento en dicho órgano ( "creciendo allí"). Mucho...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
50 ml conical tubes	Thermo Scientific (Nunc)	339652	Keep sterile
1x Phosphate-buffered saline	ThermoFisher Scientific	10010-023	Keep sterile
Nude mice	Harlan Laboratories	Hsd:Athymic Nude-Foxn1nu	Use at 6 - 12 weeks of age
Polystyrene foam pad	N/A	N/A	The discarded lid (~ 4 x 8 inches or larger) of a polystyrene foam shipping container can be used for this purpose. Sterilize by wiping with ethanol.
Forceps	Fine Science Tools	11050-10	Keep sterile
Scissors	Fine Science Tools	14058-11	Keep sterile
Gauze pads	Fisher Scientific	22-246069	Keep sterile
60 mm2 glass petri dishes	Sigma-Aldrich	CLS7016560	Keep sterile
Scalpel blades	Fisher Scientific	S95937A	Keep sterile
DMEM:F12	Life Technologies	21331-020	Warm in 37 °C water bath before use, keep sterile
1x Mito + Serum Extender	BD Biosciences	355006	Referred to as "concentrated mitogen supplement" in the manuscript. Keep sterile
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/ml)	Life Technologies	15140-122	Keep sterile
Rosewell Park Memorial Institute 1640 (RPMI 1640)	Life Technologies	11875-093	Warm in 37 °C water bath before use, keep sterile
Fetal Bovine Serum	Sigma-Aldrich	F1051-500ML	Keep sterile
Trypsin/EDTA solution	ThermoFisher Scientific	R-001-100	Warm in 37 °C water bath before use, keep sterile
6-well tissue culture plates	Thermo Scientific (Nunc)	140675	Keep sterile
0.22 μm syringe filters	Sigma-Aldrich	Z359904	Keep sterile
T75 tissue culture flasks	Thermo Scientific (Nunc)	178905	Keep sterile
Transwells	Sigma-Aldrich	CLS3464	Keep sterile, use for migration assays
Anti-mouse Sca-1	R&D Systems	FAB1226P	use at 10 µl/106 cells
Anti-mouse CD105	R&D Systems	FAB1320P	use at 10 µl/106 cells
Anti-mouse CD29	R&D Systems	FAB2405P-025	use at 10 µl/106 cells
Anti-mouse CD73	R&D Systems	FAB4488P	use at 10 µl/106 cells
Anti-mouse CD44	R&D Systems	MAB6127-SP	use at 0.25 µg/106 cells
Anti-mouse CD45	eBioscience	11-0451-81	use at 5 µl/106 cells
Anti-mouse gp38	eBioscience	12-5381-80	use at 10 µl/106 cells
β-mercaptoethanol	Sigma-Aldrich	M6250	Keep sterile
Protein arrays	RayBiotech Inc.	AAM-BLM-1-2	Use 1 array per media condition (including negative control), in triplicate