Ici, nous présentons un protocole pour étudier l’interaction des macrophages primaires dérivés de monocytes humains avec un sphéroïde tumoral dans une matrice tridimensionnelle (3D) de collagène I, avec la possibilité de comparer l’impact des propriétés solubles et physiques du microenvironnement sur l’invasion cellulaire.
L’interaction entre les cellules immunitaires et cancéreuses et leur impact respectif sur les métastases représentent un aspect important de la recherche sur le cancer. Jusqu’à présent, seuls quelques protocoles sont disponibles qui permettent une approximation in vitro de la situation in vivo . Ici, nous présentons une nouvelle approche pour observer l’impact des macrophages humains sur le caractère invasif des cellules cancéreuses, en utilisant des sphéroïdes tumoraux de cellules de carcinome pulmonaire non à petites cellules H1299 intégrées dans une matrice tridimensionnelle (3D) de collagène I. Avec cette configuration de co-culture, nous avons testé l’impact de la déplétion des facteurs de régulation basée sur les petits ARN interférents (siRNA) dans les macrophages sur l’invasion 3D des cellules cancéreuses à partir du sphéroïde tumoral par rapport aux témoins. Cette méthode permet de déterminer différents paramètres, tels que la surface des sphéroïdes ou le nombre de cellules cancéreuses envahissantes, et ainsi, de détecter les différences d’invasion des cellules cancéreuses. Dans cet article, nous présentons la configuration respective, discutons de l’analyse ultérieure, ainsi que des avantages et des pièges potentiels de cette méthode.
Les macrophages sont une partie importante du système immunitaire inné et représentent la première ligne de défense dans de nombreuses conditions pathologiques, telles que les infections ou l’élimination des débris cellulaires après des blessures1. Au cours des dernières décennies, l’impact des cellules immunitaires sur la progression du cancer a fait l’objet de nombreuses études. En conséquence, il a été démontré que les macrophages peuvent faciliter les métastases en s’associant aux tumeurs primaires et en devenant des macrophages associés aux tumeurs (TAMs)2. Les macrophages peuvent modifier leur profil d’expression lorsqu’ils sont exposés aux cellules cancéreuses, favorisant l’échappement des métastases du système immunitaire3. De plus, il a été démontré que les cellules cancéreuses peuvent utiliser les défauts de la matrice extracellulaire (MEC) générés par les macrophages pour échapper à la tumeur primaire et que leur comportement est également manipulé par l’absorption de facteurs sécrétés, y compris les vésicules extracellulaires (VE)4,5. Cette interaction d’aspects physiques et chimiques nécessite le développement de nouvelles méthodes pour caractériser l’impact des cellules immunitaires sur la propagation tumorale et le microenvironnement environnant.
Différentes approches ont été développées pour étudier le comportement des cellules immunitaires dans le contexte des métastases in vivo6. Cependant, comme pour toutes les expériences incluant des animaux, une licence pour l’expérimentation animale et une animalerie sont nécessaires ; Ces approches nécessitent déjà beaucoup de développement et de préparation. De plus, l’analyse est souvent compliquée, notamment en ce qui concerne l’imagerie de cellules vivantes, car tous les échantillons ne sont pas accessibles pour la plupart des configurations microscopiques. La mise au point de nouvelles méthodes pour tester d’abord des hypothèses dans des conditions in vitro qualifiées est également nécessaire et opportune, car la science et la société visent une recherche sans animaux afin de réduire le nombre d’animaux sacrifiés.
Dans une publication récente7, nous avons étudié l’impact des macrophages humains primaires sur le caractère invasif des cellules cancéreuses envahissantes d’un sphéroïde tumoral. À cette fin, nous avons mis au point un test de co-invasion de sphéroïdes de tumeurs à base de collagène I. Dans ce contexte, nous avons cherché à élucider le rôle des voies de recyclage rapide de la métalloprotéinase matricielle de type 1 membranaire (MT1-MMP) dans les macrophages. Nous avons testé des macrophages qui étaient épuisés pour la kinésine super processive KIF16B, que nous avons identifiée comme un moteur majeur du recyclage de MT1-MMP, et leur impact sur les capacités invasives des cellules H1299-Green Fluorescent Protein (GFP) d’un sphéroïde solide. Les macrophages appauvris en KIF16B présentent des niveaux réduits de MT1-MMP liés à la membrane à leur surface, tandis que les cellules H1299 elles-mêmes n’ont pas été traitées.
À notre connaissance, aucune méthode similaire n’a été décrite qui permette une imagerie et une analyse complètes de la co-invasion macrophage-tumeur-sphéroïde. Bien que nous nous soyons concentrés dans notre récente publication7 sur l’analyse de cellules migratrices individuelles éloignées du sphéroïde, le test permet de multiples études supplémentaires telles que le nombre de brins envahisseurs, les protéines impliquées dans l’interaction cellule-macrophage du cancer, la quantité de dégradation du collagène I ou d’autres propriétés sphéroïdes comme la longueur de son périmètre.
Ce protocole implique l’utilisation de macrophages humains primaires dérivés d’échantillons de sang de donneurs. Selon les directives éthiques du centre médical universitaire de Hambourg-Eppendorf, des échantillons de sang ont été prélevés et les donneurs ont été rémunérés. Le traitement ultérieur des échantillons a été effectué conformément aux directives de sécurité données (p. ex., traitement d’échantillons non analysés). Les travaux sur les macrophages humains primaires dans cette étude ont été jugés non répréhensibles par Ärztekammer Hamburg, en Allemagne.
1. Génération de sphéroïdes tumoraux H1299 dans une approche sans échafaudage (3 jours à l’avance)
2. Préparation de macrophages humains primaires à partir d’échantillons de sang de donneurs
3. Préparation des macrophages
4. Mise en place de l’essai de co-invasion
REMARQUE : Selon le format de la chambre d’imagerie, l’objectif de l’analyse ou la configuration d’imagerie respective, il peut être nécessaire de transférer le sphéroïde tumoral à partir de la plaque à très faible adhérence et d’adapter les valeurs de collagène et de milieu. Les étapes suivantes décrivent la configuration d’un échantillon dans une lame de μ à 15 puits.
5. Fixation et coloration supplémentaires
6. Imagerie et analyse de différents paramètres de croissance tumorale
REMARQUE : Les étapes suivantes peuvent être effectuées pour des échantillons d’imagerie de cellules vivantes fixes.
La figure 1 montre un sphéroïde H1299-GFP imagé aux jours respectifs d’incubation dans une matrice de collagène I. Une image en fond clair correspondante, prise au jour 0, montre également les macrophages humains primaires cocultivés avec le sphéroïde. L’image représentative enregistrée au jour 3 de l’expérience est agrandie après traitement. Différents paramètres pouvant être analysés sont indiqués, notamment le nombre de cellules envahissantes, les sites d’invasion collective et le périmètre des sphéroïdes. Le tableau ci-joint montre les résultats obtenus à partir de cette image. Le nombre de signaux détectés correspond à l’impression visuelle. Aucune perturbation du sphéroïde central n’est visible, ce qui indique une véritable invasion de cellules cancéreuses individuelles plutôt que des cellules dérivées de débris de sphéroïdes. Les résultats de différents sphéroïdes et conditions peuvent maintenant être comparés par analyse statistique.
Figure 1 : Résultats représentatifs. (panneau du haut) Imagerie du sphéroïde H1299-GFP au jour 0, au jour 1, au jour 2 et au jour 3 de l’incubation dans une matrice de collagène I. (Panneau central gauche) Une image en fond clair du sphéroïde montrant les macrophages humains primaires cocultivés. (Panneau central droit) Une image représentative acquise au jour 3 agrandie après traitement, montrant les différents paramètres pouvant être analysés (périmètre du sphéroïde en rouge ; tracé manuellement pour une meilleure visualisation). (Panneau inférieur) Les résultats obtenus à partir de l’image du panneau central droit. Remarque : Les macrophages ne sont pas visibles, car seul le canal GFP a été enregistré pour élucider le comportement des cellules cancéreuses. Barres d’échelle : 100 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
L’invasion des cellules cancéreuses reste un sujet important mais peu étudié dans le contexte de la co-invasion de cellules immunitaires comme les macrophages. L’invasion collective et individuelle des cellules cancéreuses est un processus critique au cours des métastases et il a été démontré qu’elle réduit le taux de survie des patients atteints de cancer en raison de la multiplicité des infestations de différents organes 8,9. Les études in vivo sont complexes et sont limitées aux laboratoires ayant accès à des installations d’hébergement pour animaux. De plus, il est également difficile de contrôler les conditions in vivo ou de manipuler spécifiquement des aspects individuels. Par conséquent, la nécessité d’un système plus accessible reste essentielle pour répondre aux questions fondamentales de la première ligne de recherche.
Avec la méthode présentée ici, nous avons développé une méthode dans laquelle i) les cellules immunitaires et ii) le comportement des cellules cancéreuses, iii) la croissance et le développement d’un sphéroïde solide, et iv) l’impact des cellules du microenvironnement tumoral environnant (TME) sur les composants de la MEC peuvent être analysés plus en détail. Il peut être utilisé pour comparer l’impact des macrophages modifiés (par exemple, appauvris pour des régulateurs spécifiques par le traitement par siRNA) sur le caractère invasif de cellules cancéreuses individuelles à partir d’un sphéroïde solide. Il n’est actuellement pas clair si le réarrangement physique du TME ou les facteurs sécrétés représentent la cause principale du comportement observé des cellules cancéreuses et doit être analysé plus en détail.
En outre, les cellules cancéreuses elles-mêmes pourraient également être manipulées, par exemple par un traitement par siRNA ou l’élimination de régulateurs spécifiques. De plus, l’analyse peut être améliorée en comparant le nombre de noyaux comptés dans le profil cellulaire identifié afin de permettre une détermination plus précise des cellules cancéreuses envahissantes.
Nous avons utilisé ce test pour déterminer l’impact des macrophages dans le TME sur l’invasion des cellules tumorales. Cependant, il convient également de noter que les cellules tumorales sont susceptibles d’influencer l’activité des macrophages, éventuellement par le biais de facteurs sécrétés dans les milieux. Il serait donc également utile d’identifier les changements dans les macrophages, tels que l’altération de l’état de polarisation (M1 vs M2) par coloration par immunofluorescence à l’aide d’anticorps respectifs. Dans le passé, la comparaison entre les cellules cultivées en monocouches et celles cultivées dans un environnement 3D a montré des différences significatives dans leurs profils d’expression10.
De plus, le tri cellulaire activé par fluorescence (FACS) des sous-populations de macrophages et leur intégration dans la procédure expérimentale pourraient être instructifs. Enfin, une imagerie plus détaillée des zones de contact où les macrophages interagissent avec les cellules cancéreuses ou la surface du sphéroïde tumoral pourrait conduire à l’identification d’autres mécanismes pertinents pour l’invasion et l’interaction 3D.
Il est à noter que le positionnement précis du sphéroïde au centre du puits après l’ajout du mélange de collagène ne peut pas être entièrement contrôlé. La quantité de collagène sous le sphéroïde est particulièrement difficile à réguler. Ici, d’autres méthodes ont été mises au point pour permettre un positionnement précis du sphéroïde, par exemple au-dessus de moules d’agarose avec des échantillons de11 plus élevés. Cependant, comme la libération de cytokines est un mécanisme courant, tous les sphéroïdes de ce test multi-sphéroïde sont exposés à des facteurs sécrétés, et le nombre de cellules immunitaires agissant sur un seul sphéroïde est difficile à contrôler.
L’une des limites fondamentales de ce protocole est la capacité des lignées cellulaires cancéreuses à former des sphéroïdes uniformes, ne s’appliquant ainsi qu’à un sous-ensemble de lignées cellulaires. Par exemple, les cellules de mélanome MeWo forment des structures 3D inégales, semblables à des feuilles, mais pas de sphéroïdes uniformes.
Il convient également de noter que le test est très adaptable, car bon nombre de ses caractéristiques peuvent être modifiées, telles que le matériel ECM, le nombre de cellules ou en ajoutant des facteurs spécifiques tels que des cytokines au surnageant. Il devrait donc être parfaitement adapté aux études initiales in vitro de l’interaction cellule cancéreuse/cellule immunitaire et peut être adapté à la question de recherche spécifique actuellement abordée.
Les auteurs déclarent qu’il n’existe pas d’intérêts concurrents.
Les auteurs tiennent à remercier Andrea Mordhorst pour l’excellent soutien technique et la culture cellulaire, ainsi que Martin Aepfelbacher pour son soutien continu. Les travaux sur l’invasion des macrophages dans le laboratoire SL sont soutenus par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (CRC877/B13 ; LI925/13-1).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 µ-Slide Angiogenesis | ibidi | 81506 | |
Accutase | Invitrogen | 00-4555-56 | |
Alexa Fluor 568 Phalloidin | ThermoFisher Scientific | A12380 | |
CD14 MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-050-201 | |
CO2 Incubator | Binder | ||
Collagen I Rat Tail | Corning | 354236 | |
DAPI | AppliChem | ||
DMEM (1x) + GlutaMAX | Gibco | 31966-021 | |
DPBS | Anprotec | MS01Y71003 | |
FBS | Bio&Cell | FBS. S 0613 | |
Fiji | NIH | ImageJ 2 Version: 2.3.0/1.53s | |
Formaldehyde 37% | 252549-500ml | Sigma-Aldrich | |
H1299-GFP cell line | |||
Human serum albumin | Sigma-Aldrich | A5843 | |
Leica TCS SP8 X | Leica | ||
l-glutamine | Gibco | 25030-024 | |
Lymphocyte Seperation Medium (LSM) 1077 | PromoCell | C-44010 | |
MS Columns | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | |
nonessential amino-acids | Sigma-Aldrich | 11140050 | |
Pen Strep | Gibco | 15140-122 | |
RPMI-1640 | Gibco | 81275-034 | |
TC-Platte 96 Well, BIOFLOAT, R | SARSTEDT | 83,39,25,400 | |
VORTEX-GENE 2 | Scientific Industries |
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