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Method Article
We developed an in vitro model of dormancy in the bone marrow for estrogen-sensitive breast cancer cells. The goal of this protocol is to demonstrate use of the model for the study of the molecular and cellular biology of dormancy and for generation of hypotheses for subsequent testing in vivo.
The study of breast cancer dormancy in the bone marrow is an exceptionally difficult undertaking due to the complexity of the interactions of dormant cells with their microenvironment, their rarity and the overwhelming excess of hematopoietic cells. Towards this end, we developed an in vitro 2D clonogenic model of dormancy of estrogen-sensitive breast cancer cells in the bone marrow. The model consists of a few key elements necessary for dormancy. These include 1) the use of estrogen sensitive breast cancer cells, which are the type likely to remain dormant for extended periods, 2) incubation of cells at clonogenic density, where the structural interaction of each cell is primarily with the substratum, 3) fibronectin, a key structural element of the marrow and 4) FGF-2, a growth factor abundantly synthesized by bone marrow stromal cells and heavily deposited in the extracellular matrix. Cells incubated with FGF-2 form dormant clones after 6 days, which consist of 12 or less cells that have a distinct flat appearance, are significantly larger and more spread out than growing cells and have large cytoplasm to nucleus ratios. In contrast, cells incubated without FGF-2 form primarily growing colonies consisting of >30 relatively small cells. Perturbations of the system with antibodies, inhibitors, peptides or nucleic acids on day 3 after incubation can significantly affect various phenotypic and molecular aspects of the dormant cells at 6 days and can be used to assess the roles of membrane-localized or intracellular molecules, factors or signaling pathways on the dormant state or survival of dormant cells. While recognizing the in vitro nature of the assay, it can function as a highly useful tool to glean significant information about the molecular mechanisms necessary for establishment and survival of dormant cells. This data can be used to generate hypotheses to be tested in vivo models.
des cellules de cancer du sein à métastases de la moelle osseuse avant que la maladie est détectable 1, dès que les tumeurs se développent de petits vaisseaux sanguins 2,3. Le processus métastatique est rapide, mais inefficaces. Cellules entrent dans les nouveaux vaisseaux sanguins rapidement, à des millions par jour 4 mais peu survivent au voyage à des organes éloignés 5. Néanmoins, certains micrométastases survivre dans l'os et peuvent être trouvés comme des cellules individuelles ou de petits amas de cellules dans les ponctions de moelle osseuse de patients nouvellement diagnostiqués 1. Ces cellules résistent à la chimiothérapie adjuvante, qui est administré par l'objet même de les éliminer 6. Cette résistance est dotée, sensiblement, par la survie de signalisation initiée par les interactions avec le microenvironnement de la moelle osseuse 7,8. Micrométastases peuvent être trouvés dans environ un tiers des femmes atteintes du cancer du sein localisé et représentent un indicateur indépendant de survie lorsqu'il est analysé par analyse univariée 9. Certains micrometastases sont la croissance amorcée, mais les schémas de récidive dépendent du type de cellule. Les patients atteints de cancer du sein triple négatif ont tendance à réapparaître entre 1 à 4 ans, ce qui suggère un mauvais contrôle de l'état de dormance. Autres types de cellules, y compris ER / PR + cellules, peuvent rester en dormance pendant jusqu'à 20 ans, avec un taux stable et continu de récidive 10. Alors que les différences de dormance signatures d'expression génique entre ER + et RE- lignes et les tumeurs des cellules mammaires reflètent différents potentiels de dormance 11, les interactions avec le stroma de la moelle osseuse représentent probablement une contribution significative à la dormance.
L'étude de dormance in vivo est exceptionnellement difficile parce micrométastases sont rares et sont plus nombreux que les cellules hématopoïétiques de plus de 10 6 -fois. Par conséquent, les modèles concernés doivent être générés qui fournissent des données in vitro qui peuvent proposer des mécanismes et générer des hypothèses testables in vivo. Un certain nombre de modèles de dormance, y compris mathe12,13 matiques modèles, des modèles in vitro, in vivo 7,8,14,15 modèles de xénogreffe, des combinaisons de 16 in vitro et des modèles de xénogreffes 17,18 et modèles spontanés de métastases tumorales et 19, ont donné un aperçu de la dormance des cellules cancéreuses 20 . Chacun de ces modèles ont leurs propres limites et sont d'eux-mêmes principalement utile pour générer des hypothèses en ce qui concerne la signalisation moléculaire et interactions qui régissent la dormance à tester dans des modèles plus biologiquement pertinentes.
Avec l'objectif général de définir les mécanismes moléculaires de la dormance, les interactions avec le microenvironnement qui se traduit par l'arrêt du cycle, redifférentiation et de résistance et mécanismes thérapeutique qui résultent de la récidive dans ER + cellules, nous avons développé un modèle in vitro qui fournit sélectionné les éléments pertinents de la microenvironnement stromal 7. Ce modèle, bien que relativement rares dans sa composants, est suffisamment robuste pour permettre aux enquêteurs de déterminer des mécanismes moléculaires spécifiques qui affectent les fonctions importantes de dormance. Ces expériences génèrent des hypothèses qui peuvent être directement testés in vivo. Le modèle repose sur quelques éléments clés que nous avons démontré pour être pertinent dans la dormance. Elles comprennent l'utilisation de cellules de cancer du sein oestrogéno-dépendants, la culture de cellules à une densité clonogénique où leur interaction est principalement avec le substrat et les composants solubles du milieu, un substrat de la fibronectine et de la présence de facteur de croissance basique des fibroblastes (FGF-2) dans le milieu.
Nous avons caractérisé les mécanismes qui régissent le système in vitro, y compris l'induction de l'arrêt du cycle cellulaire par le FGF-2 21, à médiation par 22 le TGFß, la survie par l'intermédiaire de signalisation PI3 kinase ERK 7,8 et 8 et de la différenciation morphogénétique à un phénotype épithélial, qui dépendait RhoA inactivation, l'intégrine45; 5β1 régulation à la hausse et la ligature de stroma pour la survie de la fibronectine 7,15 (Figure 1). Les effets du cycle cellulaire in vitro de FGF-2 sur les cellules MCF-7 commencent à des concentrations d'au moins un log-dessous de 10 ng / ml 21,23. Le raisonnement était basé sur le contrôle temporel de FGF-2 expression régissant mammaire morphogenèse canalaire, l'expansion cyclique et la récession dans un certain nombre de systèmes de mammifères 24-27. Nous avons démontré que le FGF-2 induit la différenciation, y compris la morphogenèse canalaire in culture 3D 28, et que le FGF-2 expression sont généralement perdue avec la transformation maligne des tumeurs humaines 29. L'expression de FGR1 resté intact dans les carcinomes mammaires interrogés 29 et MCF-7 cellules continuer à exprimer les 4 récepteurs FGF 30. Dans le contexte de la dormance, FGF-2 est exportée par et fortement déposée sur stroma de moelle osseuse 31,32 où il fonctionne dans le maintien de cellules souches hématopoïétiques 33. Nous demtré que le FGF-2 induit un état de dormance dans ER + cancer du sein cellules cultivées sur la fibronectine substrats, également abondants dans la moelle osseuse, où il induit la différenciation morphogénétique 7. Dans le modèle, les cellules de cancer du sein sont la croissance inhibée, Rho A à inactiver le RhoGAP GRAF, pour redifférencier un phénotype épithélial et ré-exprimer des intégrines lost avec la progression maligne. Ils se lient à travers la fibronectine intégrine α5β1 et d'activer la survie de signalisation qui les rendent résistantes à la thérapie cytotoxique 7,8,15 (figure 1). Inhibition de GTPases Rho de classe a été démontré précédemment pour induire un phénotype dormant 34.
Ici, nous allons décrire les procédures spécifiques qui permettront aux enquêteurs d'établir le modèle et étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires spécifiques régissant la dormance des cellules ER + cancer du sein. Dans les expériences présentées ici pour illustrer l'utilisation du modèle, Nous avons ciblé la voie de la PI3K (figure 1B) avec un inhibiteur de l'Akt et un inhibiteur de la PI3K et de tous les membres de la famille Rho (figure 1B) avec un inhibiteur pan-Rho et un Rho kinase (ROCK) inhibiteur.
1. Test clonogénique
2. clonogénique incubation d'études immunofluorescence
3. clonogénique incubation pour les études moléculaires
Des expériences ont été menées afin de récapituler l'essai. L'évolution dans le temps de l'expérience est représenté sur la figure 2A. Les cellules sont incubées à une densité clonogénique le jour -1, FGF-2 dans un milieu frais est ajouté au jour 0 et les cellules sont cultivées jusqu'au jour 6 quand ils sont colorés et les colonies sont comptées. Tous les perturbations du système sont administrés au jour 3 dans des volumes de 100 pi à 10x concentrations finales...
Notre modèle se compose de plusieurs éléments essentiels de dormance dans la moelle osseuse. Il se compose d'oestrogènes des cellules sensibles, qui sont du type susceptible de rester en sommeil dans la moelle pendant des périodes prolongées 10, il se compose de la fibronectine, un élément structurel clé de la moelle, le FGF-2, un facteur de croissance abondamment synthétisée par le stroma de la moelle osseuse et fortement déposé dans la matrice extracellulaire de la moelle osseuse et 31...
Soutenu par le ministère de la Défense subventions DAMD17-01-C-0343 et DAMD17-03-1-0524, la Commission d'État du New Jersey sur la recherche sur le cancer 02-1140-CCR-E0 et le Mémorial Goldberg Ruth Estrin for Cancer Research (RW)
Les auteurs ont rien à révéler.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
MCF-7 cells | ATCC | HTB-22 | |
T47D cells | ATCC | HTB-123 | |
BD BioCoat Fibronectin 24 Well Clear Flat Bottom TC-Treated Multiwell Plate | Corning | 354411 | |
BD BioCoat Fibronectin 60 mm Culture Dishes | Corning | 354403 | |
BD BioCoat Fibronectin 100 mm Culture Dishes | Corning | 354451 | |
BD BioCoat 22x22mm #1 Glass Coverslip with a uniform application of human fibronectin | Corning | 354088 | |
6 Well tissue culture plate | CellTreat | 229106 | |
Dulbecco Modified Eagle Medium High Glucose 10X Powder | Corning Life Sciences | 50-013-PB | |
Heat Inactivated, Fetal Bovine Serum | Serum Source International | FB02-500HI | |
0.25% Trypsin/2.21 mM EDTA | Corning | 25-053-CI | |
Penicillin-Streptomycin Solution, 100X | Corning | 30-002-CI | |
L-Glutamine, 100x, Liquid | Corning | 25-005-CI | |
Recombinant Human FGF basic | R&D Systems | 234-FSE-025 | |
Akt Inhibitor (1L6-Hydroxymethyl-chiro-inositol-2-(R)-2-O-methyl-3-O-octadecyl-sn-glycerocarbonate) | CalBiochem | 124005 | |
LY294002 | CalBiochem | 19-142 | Chenical PI3K inhibitor |
C3 transferase | Cytoskeleton | CTO3 | Inhibits RhoA, RhoB, and RhoC, but not related GTPases such as Cdc42 or Rac1 |
Y-27632 dihydrochloride | Santa Cruz Biotechnology | 129830-28-2 | |
BODIPY FL-Phallacidin (green) | Molecular Probes | B607 | Fluorochrome for fibrillar actin staining |
BODIPY FL-Rhodamine phalloidin (red) | Molecular Probes | R415 | Fluorochrome for fibrillar actin staining |
Alexa Fluor 488 Donkey anti-Mouse IgG Antibody, ReadyProbes Reagent | Molecular Probes | R37114 | |
ProLong Gold Antifade Mountant with DAPI | Molecular Probes | P-36931 |
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