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Describimos un protocolo detallado para el aislamiento de células que inician tumores de xenoinjertos derivados del paciente de sarcoma humano mediante la clasificación celular activada por fluorescencia, utilizando el antígeno leucocito humano-1 (HLA-1) como marcador negativo, y para la validación y caracterización de estas células que inician tumores HLA-1 negativos.
La existencia y la importancia de las células que inician tumores (TIC) han sido apoyadas por el aumento de la evidencia durante la última década. Se ha demostrado que estos TIC son responsables de la iniciación del tumor, la metástasis y la resistencia a los medicamentos. Por lo tanto, es importante desarrollar una terapia específica de focalización de TIC además de las estrategias de quimioterapia actuales, que se centran principalmente en la mayor parte de los no TIC. Con el fin de comprender mejor el mecanismo detrás de la neoplasia maligna de los TIC, describimos un método para aislar y caracterizar los TIC en los sarcomas humanos. En este documento, mostramos un protocolo detallado para generar xenoinjertos derivados del paciente (PDX) de sarcomas humanos y para aislar los TIC mediante la clasificación celular activada por fluorescencia (FACS) utilizando antígeno leucocito humano clase I (HLA-1) como marcador negativo. Además, describimos cómo caracterizar funcionalmente estos TIC, incluyendo un ensayo de formación de esfera y un ensayo de formación tumoral, e inducir la diferenciación a lo largo de las vías mesenquimales. El aislamiento y la caracterización de los TIC PDX proporcionan pistas para el descubrimiento de posibles reactivos de terapia de orientación. Además, la creciente evidencia sugiere que este protocolo puede ampliarse aún más para aislar y caracterizar los TIC de otros tipos de cánceres humanos.
La heterogeneidad celular intratumoral de los cánceres humanos ha sido apoyada por el aumento de la evidencia durante la última década1. Similar al tejido normal, el tejido canceroso consiste en una pequeña subpoblación de TIC (también llamadas células madre cancerosas), que exhiben capacidad de formación de tumores; mientras tanto, la mayor parte de las células cancerosas exhiben fenotipos diferenciados2. Estos TIC muestran propiedades similares a las células madre, incluyendo la expresión de un marcador de células madre y la capacidad de la auto-renovación y la división celular asimétrica, y por lo tanto, pueden iniciar la formación de un tumor heterogéneo celular3. Estudios recientes han revelado que los TIC no sólo son responsables dela iniciación del tumor, sino que también están asociados con la agresividad tumoral 4, la metástasis5y la resistencia a los medicamentos6. Por lo tanto, es importante entender la biología de los TIC y, por lo tanto, desarrollar una estrategia de tratamiento específica dirigida a estos TIC.
Se han utilizado métodos basados en FACS para identificar LOS TIC mediante marcadores TIC,incluidos CD133, CD24 y CD44 1. La mayoría de estos marcadores también se expresan en células madre normales7. Sin embargo, ninguno de estos marcadores marca únicamente los TIC. Los papeles que desempeñan estas moléculas en la neoplasia maligna de los TIC aún no están claros. Por ejemplo, CD133 puede ser frecuentemente inactivado por la metilación del ADN, y por lo tanto, esta heterogeneidad intertumoral puede hacer que la precisión de estos marcadores8. ALDH1 es un marcador que también funciona para mantener la talla de TICs9. Parece ser más eficaz en la identificación de tiCs de cáncer de mama, pero sigue siendo cuestionable en otros tipos de tumores9. Algunas vías de señalización desempeñan un papel importante en la biología de células madre, como Wnt(sitio de integración relacionada con las alas), TGF-o (factor de crecimiento beta transformador) y Erizo 1. Pero es difícil demostrar que estas vías son específicas de TIC y utilizar la actividad de estas vías para aislar los TIC de los tumores primarios. Por lo tanto, se necesita urgentemente un nuevo marcador TIC fiable.
MHC humano clase I, también llamado HLA-1, es una proteína de superficie celular expresada en casi todas las células nucleadas10. HLA-1 funciona como un antígeno que presenta una molécula que es específicamente reconocida por las células T CD810. El efecto citotóxico de las células T CD8 se puede activar cuando las células cancerosas presentan un antígeno tumoral por HLA-1. Por lo tanto, la falta de HLA-1 en la superficie celular de las células cancerosas puede conducir a una fuga inmune de las células T CD8 citotóxicas. La regulación de HLA-1 se ha descrito en diferentes tipos de cáncer humano y se correlaciona con mal pronóstico, metástasis y resistencia a los medicamentos11. Hemos demostrado que la pérdida de expresión HLA-1 en la superficie celular se puede utilizar para identificar TIC en sarcomas, así como en el cáncer de próstata6,12.
Aquí, describimos un protocolo detallado para aislar los TIC de los PDX de sarcoma humano por FACS, utilizando HLA-1 como marcador negativo, y para validar y caracterizar aún más estos TIC HLA-1 negativos.
Todos los protocolos para los experimentos con ratones discutidos aquí estaban de acuerdo con las directrices institucionales y aprobados por el Comité de ética de investigación humana institucional del Centro Médico Mount Sinai y el Comité de Cuidado y Uso de Animales.
1. Procesamiento de la muestra de tejido del sarcoma y la formación PDX
2. Aislamiento de células que inician tumores por FACS del PDX
3. Caracterización de las células que inician tumores
Se generó y teñida un PDX de sarcoma humano. La inmunohistoquímica mostró una heterohistoquímica intratumoral utilizando el anticuerpo HLA-1. El xenoinjerto consistió en dos subpoblaciones distintas, a saber, HLA-1 positiva y negativa (Figura1A)12. El sarcoma PDX mostró similitudes histológicas con el tumor primario parental (Figura1A). Sarcoma PDX TICs fueron aislados por FACS. Utilizando un método de clasificación doble, las células HLA-1-negativas se enriquecieron altamente a partir de la población de células parentales (Figura1B)12.
Se encontró que los genes expresados en células madre (por ejemplo, Oct4, Nanog y Myc) se expresaban altamente en células aisladas de HLA-1-negativas en comparación con su contraparte Positiva de HLA-1 (Figura1C). Sox-9, un gen del desarrollo reportado para desempeñar un papel importante en otras células madre cancerosas, como en el carcinoma de mama, se expresaron específicamente en células HLA-1-negativas (Figura1D).
Para validar la subpoblación aislada HLA-1-negativa, se realizó un ensayo de formación de sarcósfera para examinar la capacidad de auto-renovación de las células. Las células HLA-1-negativas fueron capaces de formar esferas con una entrada inicial de tan solo 10 celdas (Figura 1E)12. Con el fin de examinar la capacidad de formación de tumores, se realizó un ensayo de formación de tumores de dilución en serie. Los mismos números de células HLA-1-negativas y -positivas se inyectaron por vía subcutánea en cada flanco del mismo ratón. Las células HLA-1-negativas mostraron una capacidad de formación tumoral significativamente mayor (Figura1F)12, mientras que los xenoinjertos formados por subpoblaciones HLA-1-negativas y -positivas eran tumores heterogéneos celulares (Figura1H).
Realizamos un análisis de expresión génica de los TIC aislados HLA-1-negativos12. Los genes asociados con la diferenciación normal de células mesenquimales fueron elevados en LOS TIC12. Por lo tanto, también probamos si los TIC HLA-1 pueden inducirse a la diferenciación terminal y dar lugar a una disminución de la capacidad de formación de tumores. Los resultados mostraron que las células HLA-1-negativas pueden ser inducidas para diferenciara a lo largo de las vías lipogénicas y osteogénicas y muestran fuerte aceite rojo O y alizarin a la mancha roja (Figura1G). Por el contrario, las células Positivas HLA-1 no se diferencian en las mismas condiciones. Por lo tanto, estos resultados indican una prometedora estrategia de terapia diferenciada que se puede utilizar para atacar los TIC de sarcoma.
Figura 1: Aislamiento de células HLA-1-negativas de PDX de sarcoma heterotúmicos intratumorales. (A) Células HLA-1-negativas (flechas) se encontraron en diferentes subtipos de sarcomas humanos por inmunohistoquímica (IHC). (a y b) Sarcoma de células claras. (c y d) Liposarcoma pleomórfico. (e y f) Leiomyosarcoma. (g y h) Tumor maligno de la vaina del nervio periférico. (i y j) Liposarcoma, no especificado de otro modo. (k y l) Liposarcoma desdiferenciado. La barra de escala de 100 m. (B) los PDX de sarcoma eran histológicamente similares al tumor parental (mancha de hematoxilina y eosina [H&E]) y mostraban heterogeneidad celular en la expresión HLA-1 de IHC. Aquí se muestran imágenes representativas de los PDX del sarcoma, incluyendo un sarcoma de células claras (CCS), un condrosarcoma desdiferenciado (DCS) y un liposarcoma desdiferenciado (DDL). Barra de escala a 100 m. (C) La subpoblación de células HLA-1-negativas se aisló mediante citometría de flujo con un método de doble ordenación. De arriba abajo: primera clasificación, segunda clasificación y comprobación de pureza. Las células aisladas HLA-1-negativas y HLA-1-positivas fueron sometidas a un análisis funcional posterior, incluyendo un ensayo de formación tumoral. Los resultados de esta cifra son de una publicación anterior12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Caracterización de LOS TIC HLA-1-negativos mediante ensayos funcionales. (A) Un ensayo de formación de esferas mostró que tan solo 10 células HLA-1-negativas eran capaces de formar esferas de sarcoma. Izquierda: imágenes representativas de esferas de sarcoma. Derecha: frecuencia de formación de esferas; Media : SD. Barra de escala de100 m. (B ) Las células HLA-1-negativas aisladas del sarcoma PDX eran altamente tumorigénicas. Aquí se muestran imágenes representativas del tumor formado por células HLA-1-negativas y -positivas de DDL. Se inyectaron mil células de células DDL HLA-1-negativas y HLA-1-positivas en flancos separados del mismo ratón. (C) Los niveles de ARNm de los genes de células madre Oct4, Nanogy Myc se expresaron en niveles más altos en células HLA-1-negativas en comparación con las células positivas de HLA-1. Los datos representan la media de SD (n s 5). (D) La fuerte tinción positiva de Aceite Rojo O y Alizarin Red S muestra una diferenciación terminal a lo largo de las vías lipogénicas y osteogénicas que se inducen a partir de TIC de sarcoma. (E) Inmunomanchación HLA-1 de PDX formadapor por subpoblaciones HLA-1-positivas (izquierda) y -negativas (derecha). Barra de escala a 100 m. Los resultados de esta cifra son de una publicación anterior12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Hay varios pasos críticos que limitan el éxito de este protocolo para aislar y caracterizar las células que inician tumores de las PDX del sarcoma humano. Observamos que la formación de PDX depende en gran medida de los subtipos de sarcoma. Sarcomas clínicos agresivos con fenotipo histológicamente indiferenciado (p. ej., sarcomas plémficos indiferenciados [tasa de éxito 100%, n a 2], liposarcomas desdiferenciados [tasa de éxito 100%, n a 2] y sarcomas sinoviales [ tasa de éxito 100%, n . 3]) tienen una alta tasa de éxito de la formación de PDX. Mientras tanto, los sarcomas con fenotipos diferenciados (por ejemplo, liposarcomas bien diferenciados [tasa de éxito 0%, n a 3]) muestran tasas de formación pdX más bajas. Es posible que las células que inician tumores estén presentes en subtipos más malignos en un porcentaje mayor que en subtipos menos malignos y diferenciados. Además, recomendamos terminar el procedimiento de aislamiento celular que inicia el tumor en un día sin ningún tipo de parada para minimizar cualquier pérdida de viabilidad celular.
Hemos identificado que las células HLA-1-negativas existen ampliamente en los sarcomas humanos. Pero el porcentaje de células HLA-1-negativas puede variar entre muestras de diferentes pacientes. Por este método, hemos aislado con éxito las células que inician tumores de muestras que tienen células HLA-1-negativas que van desde menos de 0.5% a más de 30%12. Es importante caracterizar las células HLA-1-negativas funcionalmente por la formación de esferas y ensayos de formación de tumores para confirmar la identidad celular que inicia el tumor de células aisladas HLA-1-negativas.
Sin embargo, el protocolo presentado aquí también tiene limitaciones. Los datos anteriores mostraron que la expresión HLA-1 está regulada epigenéticamente, lo que es consistente con la observación de la heterogeneidad celular de la expresión HLA-1 dentro del mismo tumor12. Se detectaron mutaciones genómicas de HLA-1 en sarcomas y otros tipos de cáncer. Las mutaciones en los genes HLA-1 pueden conducir a la pérdida completa de HLA-1 en la superficie celular de todo el tumor o a expresar HLA-1 mutado no funcional. En cualquier caso, la negatividad HLA-1 no se puede utilizar para identificar los TIC dentro del tumor.
Utilizando HLA-1 como marcador negativo, hemos aislado con éxito LOS TIC de una variedad de subtipos de sarcoma humano y validado nuestros resultados mediante análisis funcionales. Así, pudimos realizar estudios moleculares, incluido el análisis de la expresión génica en los TIC, con el fin de desarrollar un tratamiento específico dirigido a estos TIC.
Los autores no tienen nada que revelar.
Esta investigación fue apoyada por NCI-P01-CA087497 (a C.C.-C. y D.H.) y NIH-U 54-0OD020353 (a C.C.-C., D.H., y J.D.-D.), el Premio líder de pensamiento de Agilent (a C.C.-C.), y la Fundación Martel (a C.C.-C. y J.D.-D.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 μm cell culture filter | ThermoFisher | 450-0020 | |
100 mm Petri dish | Falcon | 353003 | |
15 mL conical tube | Falcon | 352196 | |
35 μm cell strainer | Falcon | 352340 | |
50 mL polystyrene tube | Falcon | 352070 | |
96-well ultra-low attachment cell culture plate | Corning | 7007 | |
Alizarin Red S | Sigma-Aldrich | A5533 | |
B-27 | Gibco | 08-0085SA | |
bFGF | Invitrogen | PHG0021 | |
dexamethasone | Sigma-Aldrich | D4902 | |
EGF | Invitrogen | PHG0311 | |
HLA-1-PE antibody | Abcam | ab43545 | |
hMSC growth medium | ATCC | PCS-500-030 | |
indomethacin | Sigma-Aldrich | I7378 | |
isobutylmethylxanthine | Sigma-Aldrich | I5879 | |
isopropanol | Sigma-Aldrich | W292907 | |
Isotype Control Antibody | Abcam | ab103534 | |
L-ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A5960 | |
lithium chloride | Sigma-Aldrich | 62476 | |
Matrigel basement membrane matrix | Corning | 354230 | |
MEM Alpha | Gibco | 12571-063 | |
N2 | Gibco | 17502-048 | |
NSG mice | The Jackson Lab | 005557 | |
Oil Red O | Sigma-Aldrich | O0625 | |
PBS | Corning | 21-040-CM | |
penicillin/streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
RPMI 1640 | Gibco | 11875-093 | |
Syringe with needle | BD | 309626 | |
β-glycerophosphate | Sigma-Aldrich | G9422 |
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