生物発光イメージングを使用して腫瘍の成長や治療に対する反応のその後の分析では頭蓋内脳の腫瘍異種移植片の確立

要約

ルシフェラーゼで修飾された人間の脳の腫瘍異種移植片は、腫瘍の成長および生物発光イメージング法を用いて治療に対する反応のその後のモニタリングで、胸腺欠損マウスでは頭蓋内に確立することができます。生存時間解析と組み合わせることで、生物発光のモニタリングは、脳腫瘍の治療を検討している治療法の前臨床試験に不可欠な研究ツールです。

要約

ヒト脳腫瘍細胞を用いた移植モデルでは、長年にわたって神経腫瘍学の研究に不可欠な機能を提供している。過去には、ヒト腫瘍異種移植片を確立するための最も一般的に使用される手順は、免疫不全マウスで回収した細胞の皮下注射に続いて培養フラスコからの細胞の集まりで構成されていました。このアプローチは、まだ多くの研究室での頻繁な使用を見たのに対し、適切な神経解剖学的構造の中に腫瘍細胞の注入を必要とする、脳腫瘍のインスタンスで、同所性異種移植片の確立に向けた過去10年間重点に大きな変化を、そこにされている。頭蓋内移植の確立は、ノギスの利用、同所脳腫瘍異種移植モデルに向けた重点のシフトによる直接測定を介して腫瘍の成長、などを監視する機能がなくなるため、宿主動物における腫瘍の負担を評価するための非侵襲的イメージングの活用が必要になりました。現在利用可能なイメージングの方法のうち、生物発光のモニタリングは、一般的に感度、便宜、およびコストの最適な組み合わせを提供すると考えられている。ここでは、同所性脳腫瘍の確立のため、そして実験的な治療法をテストする際に腫瘍の増殖と治療に対する反応を監視するための手順をデモンストレーションを行います。

プロトコル

1。腫瘍細胞調製。

人間の脳の腫瘍の異種移植用の細胞は、無胸腺マウスにおける皮下増殖として、または細胞培養から伝播腫瘍のいずれかから調達することができます。両方の細胞源の利用は、細胞移植のための方法のデモンストレーションとともに、以下に説明されています。

頭蓋内コンパートメントへの転送のために皮下腫瘍から細胞を調製するために、摘出した腹部の腫瘍は、組織が ​​最初にメスでみじん切りして、機械的に細胞の集合体のサスペンション^1を作成するために反復的なピペッティングにより中断された培養皿、に配置されます。細胞の集合体懸濁液を頭蓋内注射に適した単一の細胞懸濁液を生成するフィルタ70μmナイロンメッシュを介して渡されます。細胞懸濁液を4℃、と（下記参照）最終的な作業の濃度を得るために無血清培地の適切な量で細胞ペレットを再懸濁する前に吸引された上清で10分間1000rpmで遠心分離される。頭蓋内注入のための確立された細胞株を調製するために、細胞は^{2の上方に}示されるようにして細胞を遠心分離し、再懸濁させた、単層をトリプシン処理により、またはニューロスフェアの懸濁培養を収集して収穫されます。注入された細胞の数は、注射の神経解剖学的位置上の変数に依存しています。脳幹注射^3、のために5 × 10 ⁴個の細胞数は0.5μLに注入されるのに対し、テント上の注射のために我々は日常的に、無血清培地（DMEM）の3μLで3〜5 × 10 ⁵細胞を注入する。推奨値よりも大きいボリュームを注入すると、結果の外方増殖性（図1）ではなく、頭蓋内腫瘍の成長と、針管を介して腫瘍細胞の逆流が発生する可能性があります。頭蓋内注射用サンプルを撤回した後、残りの細胞懸濁液を注射シリーズのメンバー間で頭蓋内腫瘍の設立を完了するまでの間に適切な濃度を維持するために頻繁に混合内容で、氷の中に配置する必要があります。

2。腫瘍細胞移植

（注）は、以下で説明するすべての手順は、カリフォルニア州サンフランシスコの大学で動物実験を使用し、ケア委員会が審査し、承認されている。

1. 外科領域は、2％クロルヘキシジン液として、消毒剤で全表面を噴霧して準備する必要があります。消毒剤を使用した後、次の消耗品は、外科領域に配置してください。
   • マウスの体温を維持するために加熱パッド
   • 2％クロルヘキシジンを含む3％の過酸化水素を含むもの、一、二小シャーレ
   • 滅菌ガーゼや綿棒
   • 滅菌使い捨てメス
   • オートクレーブ滅菌外科用ステープラー
2. 麻酔のために注入された麻酔薬を使用する必要があります。典型的にケタミン - キシラジン混合物を。
3. マウスの麻酔になると、頭皮がクロルヘキシジン溶液に浸した滅菌ガーゼで数回拭き取りによって調製される。眼軟膏は、手順の間に十分な水分を維持するために適用する必要があります。滅菌メスを使用して、長い約1cm、頭頂後頭骨上に矢状切開を行います。露出頭蓋骨の表面は、3％過酸化水素溶液に浸した綿棒を使用して洗浄される。ブレグマは（ビデオ参照）、この時点で明らかなはずである。
4. 腫瘍細胞の注入のための座標は、腫瘍の確立のための所望の部位に応じて異なります。以下は、我々は多くの脳腫瘍患者は腫瘍の発生が発生している時に神経解剖学的位置に脳内腫瘍の確立のための^2を使用^する手順を表します。脳腫瘍の研究に関心の他の場所は、脳幹腫瘍³の解剖学的モデリングのための橋、、および髄膜腫瘍の場所^4をモデル化するための硬膜下注射などがあります。前の腫瘍細胞の注入に、それによって腫瘍細胞（ビデオ参照）を注入するための開口部を作成し、ブレグマと冠状縫合の前1mmの右から2 mmの穴を頭蓋骨に滅菌25ゲージ鋭い針を使用してください。この手順では、マウスとラット（ラット用22ゲージの針）の両方に適しています。
5. シリンジにセルを描画する前に、指でタップすることにより細胞懸濁液の内容をミックス。空気の泡を作るように注意しながら、細胞懸濁液を所望の量で注射器をロードする。注射器の外側には、頭蓋外腫瘍の確立と成長（図1A）を防止する任意の接着細胞、の自由な外面を拭くためにアルコール綿で洗浄してください。適切な注入の深さが達成されることを確保するために、P20 pipettemanの先端の尖った端から3ミリメートルを切るメスを使用してください。先端のこのセクションでは、注射器を介して取り付けることができ、注入の深さを制限する働きをします、そしてさらにそのTIが保証されます注射針のpは、頭蓋骨の下側から3mmである。頭蓋骨にシリンジを垂直に置き、以前に作成した穴に、ゆっくりと細胞懸濁液（3μL懸濁液を1分間かけて注入する必要がある）を注入する。シリンジの挿入の不適切な角度は、細胞とそれに続く脊髄普及（図1B：右）の脳室内注入につながる可能性注入が完了すると、別の分のための場所に針を残し、その後徐々に（ビデオを参照）撤回：これらの手順が軽減されます腫瘍細胞の逆流。
6. 頭蓋内腫瘍細胞の移植^5〜自力またはフリーハンドのアプローチに代わるものとして、一つは一般的に、より一貫性の注入の場所を促進する小動物の定位フレーム（回路図の概要のパネルF）、使用できますが、かなりの量を犠牲にし手続きの時間。フリーハンドのアプローチを使用するときに小動物の定位フレームを使用して最大注入率は約15匹のマウス/時間であるのに対し、我々の経験では、2つの手術スタッフは、できるだけ多く60などのマウス/時間を注入することができます。手続き上の便宜は、マウスの大規模なシリーズを注入する際に重要な考慮事項であり、そして注入されるように腫瘍細胞が、、氷の上に残されている時間を減らすのに役立ちます。
7. 3％過酸化水素で頭蓋骨を洗浄し、滅菌綿棒を用いて乾燥させます。穴に無菌骨のワックスを適用します。鉗子を使用して、閉じて頭蓋骨と主食を介して一緒に頭皮を描く。最適な治癒のために、頭皮がお互いに対して頭皮の各側の真皮（底面に対して下面）でホチキス止めしてください。ステープル頭皮は、術後の疼痛緩和のための皮下注射により投与クロルヘキシジン液、およびブプレノルフィンを使用して清掃してください。
8. 彼らは歩行可能となり、正常な活性を保持するまで手術後にすべてのマウスを監視します。一般的に、回復時間は30分程度です。

3。腫瘍増殖の生物発光のモニタリング

1. 背景。 [（ - ）-2 - （60 - ヒドロキシ- 20 -ベンゾチアゾリル）- thiazone -4 - カルボン酸D -]酸素とアデノシン三リン酸（ATP）の存在下で生物発光イメージング（BLI）は、ルシフェリンの酸化に基づいています。この反応は、光の結果放出で光子に化学エネルギーを変換する酵素のルシフェラーゼにより触媒される。人間の細胞はルシフェリン基質の存在下で光を発光することができる唯一の​​ルシフェラーゼ発現細胞と、（下記参照）ルシフェラーゼを発現するように変更することができます。腫瘍増殖およびin vivoでの治療に対する反応の高感度モニタリングを可能に、ルシフェラーゼで修飾された腫瘍細胞からの発光の排出量を検出するための非常に良好な信号対雑音比が存在するようにルシフェリンによる治療を受けたホストの動物からの最小限のバックグラウンド発光は、そこです。また、ルシフェラーゼおよびその基質、ルシフェリンは、哺乳動物細胞に対して毒性であることが示されている、と我々は対応する非修飾の細胞にルシフェラーゼの相対を発現する細胞間には機能の違いを認めていない。ルシフェリンは容易にそれによってルシフェラーゼで修飾された細胞を含むすべてのコンパートメントのイメージングを可能にする、細胞膜および腹腔内の後の血液脳関門（IP）またはマウスの静脈内（IV）注射を交差させる。ルシフェラーゼで修飾された細胞から放出される光のフォトン放出とスペクトルのレベルは、マウスやラットなどの小研究動物の組織に浸透するのに十分であり、低光イメージングカメラで外部から検出することができます。生物発光イメージングの非侵襲的な性質は、腫瘍の成長と個々の動物の被験者の治療への反応の繰り返しに監視できます。
2. 移植細胞源が安定してホタルルシフェラーゼ発現のために変更する必要があります。このような細胞源を購入、またはルシフェラーゼの構成的発現のために構築されたレンチウイルスを用いて個々の研究室で製造することができる。我々は強く繰り返している個々の動物の主題のための腫瘍負担の変化の正確な表示を提供するために、定量的な発光イメージングのために必要な生体内でルシフェラーゼの安定的な細胞の発現を確保するためにルシフェラーゼエンコーディングのレンチウイルスで修飾された細胞の使用ではなく、プラスミドを、、お勧め実験の過程で撮像。
3. BLIの監視。我々は、腫瘍細胞の注射後の1週間を開始する、定量的な生物発光イメージング（qBLI）1X - 2X毎週を行うことをお勧めします。私たちのqBLIは、IVISルミナイメージングステーション（キャリパーライフサイエンス）を用いて実施し、我々の結果は、同様のデータがIVISルミナ、IVIS 150、またはIVIS 200イメージングステーションを使用して得られる示しています。イメージングのための準備として、マウスは注射後12分をイメージしたマウスで、腹腔内注射を介してケタミン/キシラジンおよび投与ルシフェリン（D -ルシフェリンカリウム塩、150 mg / kgを、キャリパーライフサイエンス）と同時に麻酔する。ルシフェリンの薬物動態はadminis間の時間を示しているルシフェリンと細胞の発光の測定の濃度は最大ルミネッセンス発光と検出の最高感度を得るために、ルシフェリンの10〜15分の注射後の間でなければなりません。 10-15分の時間間隔内で、選択した時間の長さは、撮像されている動物の中で定数として維持されるべきである。それは、BLIの測定値をルシフェリンと取得の注入の間の時間の長さに一貫性を維持することは非常に重要です。信号の頭蓋内領域を包含する関心領域リビングイメージのソフトウェア（図2）を使用して定義されており、合計photons/s/sr/cm2は（平方cmあたりステラジアンあたりの毎秒の光子）（ビデオを参照）に記録されます。
4. データ解析。腫瘍の成長と治療応答を個々の動物で監視されているのに対し、我々は非常に抗腫瘍効果に関する結論の統計的な確実性を高めるために少なくとも8の治療群をお勧めします、または治療するために、その欠けている。 ^6,7を読ん^でそれに対応する最大の前処理の発光で、治療計画の完了に続いて提示qBLIの結果につきましては、発光の測定値は、各マウスの発光を割って正規化した値に変換され、中に得られたと。生存分析のために、カプラン-マイヤー推定量^8が使用され、生存曲線が生成されているから、と生存期間の中央値の値が決まります。生存曲線の違いは、log - rank検定^9を使用して比較されます。
5. 処理および未処理腫瘍のその後の分析のための脳の取得。動物の安楽死の際、マウスの脳は、すぐに（ビデオ参照）を摘出する必要があり、どちらかの腫瘍形態および免疫組織化学のその後の分析のためにホルマリンに入れ、または標本の凍結のために、OCTでマウントする必要があります。

4。代表的な結果

連続する平均発光値は、進行性の腫瘍の増殖が示されるまで、図3Aに示す例では、頭蓋内腫瘍細胞の注射を受けたマウスは、頭蓋内発光をモニターした、とする時間の治療は一日34の（灰色の矢印の先頭を開始されました：エルロチニブは150mgを毎日投与必要な安楽死になるまで/ kg）を。各マウスの発光値は、その最終的な前処理イメージング値に正規化した各マウスのその後の発光の測定値で、治療を開始する時に1の正規化された値に設定されています。例として、発光6.0に増加していた一日34で2.0 × 10 ⁷光子/秒、最終的な前処理の発光の読書が付いているマウスは、毎日38℃× 10 ⁷光子/秒が、一日38正規化された発光値を持つことになります3.0の。正規化された生物発光と制御と治療群の対応する標準誤差の平均は、それぞれの撮像時刻ポイントに対してプロットされています。本例では、平均値正規化発光の大きな違いは、その後の時点でさらに上昇を示し、平均群の発光の違いで、治療の開始（日38）に続いて最初の画像の時点で明らかです。ほとんどの場合、治療の抗腫瘍活性の、としてqBLIによって示される、、生存率に対応する有意差（すなわち、p <0.05）が添付されているように、ここのケース（図3B）が。パネル3Cと3Dはセクショニングのホルマリンとその後のパラフィン包埋の切除脳の配置に続く、隣接ヘマトキシリン​​＆エオジンと安楽死の時に得られたマウスの脳の抗EGFR染色切片を示す。

図1。頭蓋内注入のエラー表示。 A）外方増殖性（頭蓋外）腫瘍の成長は（赤い丸）が大きすぎる注入量、シリンジに接続されている残留細胞懸濁液が原因で発生することができる、または腫瘍細胞を注入した後、速すぎると注射器を撤回。 B）脳室内に腫瘍細胞を注入することは、適切に注入された腫瘍細胞とは対照的に、注射部位（左のマウス）に局在化されたままとなる信号を腫瘍の脊髄播種（右マウス）を引き起こす可能性があります。

治療反応実験の図2。ヒートマップ画像の制御から代表的なマウスのための生物発光の強度の表現（左）と治療法（右）のグループ。リビングイメージソフトウェアが関心（赤丸）の領域を定義するために設定することができる、または機器のオペレータは手動での関心の領域を定義することができます。図の構築のためにこのような画像を使用するため、我々は、楽器の演算子は、動物の被験者の間で生物発光の違いの程度を視覚的に表現を提供するために、同一の生物発光のヒートマップの範囲（図の上部）を使用して、ヒートマップの画像が表示されることをお勧めします。

図3。生物発光、生存、および治療 ​​反応が明らかになっている実験から腫瘍組織の分析。 A）標準エラー出力を持つコントロールと治療群のマウスの平均生物発光の測定値のプロットは、それぞれ結像点のために示した。 B）同じマウスの生存プロット、p値はlog - rank検定⁷を使用して決定。腫瘍を持つマウスの脳のC）H＆E染色切片。 D）EGFR染色切片。腫瘍抑制タンパク質PTENのためのネガティブ染色を示すパネルEとEとF）はそれぞれのパネルCとDから指定された地域の倍率、、。

ディスカッション

同所（頭蓋内）脳の腫瘍異種移植の確立は、治療反応のためにテストされるモデリングの中枢神経系の癌のための¹⁰適切な微小環境を提供します。モデリングのこのタイプは、さらに実験的なエージェントは、患者に臨床試験の評価に進出するかどうかを決定するために非常に重要であり、脳と脳の腫瘍への治療アクセスに関する情報を、提供します。頭蓋内異種移植腫瘍の量を直接測定することができないので、そのようなキャリパーなどによって、頭蓋内腫瘍の増殖と治療に対する反応の長手方向のモニタリングは、私たちの経験が主な目的の実験のための最も実用的なアプローチとして、生物発光イメージングを示すとともに、非侵襲的なイメージングが必要です治療に対する腫瘍の反応の程度を評価している。生物発光イメージングの結果は動物対象の生存分析と組み合わせると、2つのデータセットは実験的な治療効果を評価するための強力で信頼性の高いアプローチを提供しています。

最後に、それは頭蓋内の脳の腫瘍の異種移植が治療の形態学と分子の効果を評価するために安楽死させた動物の被験者から採取されることが非常に重要であり、このために我々は、その後の分析のために切除された脳の保全と、安楽死の時点で全脳の切除を好む。

前述のプレゼンテーションが脳腫瘍の研究に固有の行われているのに対し、概念は確かにげっ歯類における同所性モデリングに従順である他のヒト癌に一般化可能なです。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Disposable Scapels	Feather Safety Razor Co, Ltd.	2975	No.21
Heating Pad	Dunlap	HP950
Gauze	Fisher Scientific	22028563
Cotton Swabs	Fisher Scientific	23-400-100
2% Chlorhexidine	Fisher Scientific	NC9756995
3% Hydrogen Peroxide	Fisher Scientific	H312P-4
25g Needle	BD Biosciences	305122
10ul Hamilton Sharp Microsyringe	Hamilton Co	20734
Skin Stapler and Staples	Stoelting Co.	59020
Stereotaxic Frame	Stoelting Co.	51725
Living Image Software	Caliper Life Sciences
D-luciferin	Gold Biotechnology	LUCK-1G	Potassium Salt
Xenogen Lumina	Caliper Life Sciences