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Method Article
Este artigo descreve um fluxo de trabalho de técnicas empregadas para testar novos mediadores candidatos de metástase de melanoma e seus mecanismos de ação.
A metástase é um processo complexo, exigindo que as células superem barreiras que são apenas modeladas incompletamente por ensaios in vitro . Um fluxo de trabalho sistemático foi estabelecido utilizando modelos in vivo robustos e reprodutíveis e métodos padronizados para identificar novos atores na metástase do melanoma. Essa abordagem permite a inferência de dados em estágios experimentais específicos para caracterizar precisamente o papel de um gene na metástase. Os modelos são estabelecidos pela introdução de células de melanoma geneticamente modificadas através de injeções intracardicascas, intradérmicas ou subcutâneas em camundongos, seguidos pelo monitoramento com imagens in vivo em série. Uma vez alcançados pontos finais pré-estabelecidos, tumores primários e/ou órgãos portadores de metástases são colhidos e processados para várias análises. As células tumorais podem ser classificadas e submetidas a qualquer uma das várias plataformas de "omics", incluindo o sequenciamento de RNA unicelular. Os órgãos passam por análises de imagem e imunohistopatológicas para quantificar a carga global de metástases e mapear sua localização anatômica específica. Este pipeline otimizado, incluindo protocolos padronizados para engrafamento, monitoramento, colheita de tecidos, processamento e análise, pode ser adotado para culturas derivadas do paciente, culturas de curto prazo e linhas celulares humanas e murinas estabelecidas de vários tipos de câncer sólido.
A alta mortalidade associada ao melanoma metastático combinada com uma incidência crescente de melanoma em todo o mundo1 (um aumento estimado de 7,86% até 2025) exige novas abordagens de tratamento. Os avanços na descoberta de alvos dependem de modelos reprodutíveis de metástase, um processo altamente complexo. Ao longo das etapas da cascata metastática, as células de melanoma devem superar inúmeras barreiras para alcançar a evasão do sistema imunológico e a colonização de tecidos distantes2. A resiliência e adaptabilidade das células de melanoma surgem de uma infinidade de fatores, incluindo sua alta carga mutacional genética3 e sua origem da crista neural, que confereplastia fenotípica crucial 3,4,5. A cada passo, os programas transcricionais permitem que as células de melanoma metástase mudem de um estado para outro com base em pistas do crosstalk com o microambiente, compreendendo o sistema imunológico6, o meio extracelular 7,8 e a arquitetura celular das barreiras físicas9 com as quais entram em contato. Por exemplo, as células de melanoma escapam da vigilância imunológica, regulando a expressão de importantes fatores imunes-priming secretados por tumor6.
Estudos descrevem um "nicho pré-metastático", no qual as células de melanoma secretam quimiocinas e citocinas para preparar o distante órgão "alvo" para a metástase10. Esses achados levantam questões importantes sobre o tropismo de órgãos das células de melanoma metastático e a rota anatômica que tomam para acessar tecidos distantes. Após a intravasação, as células de melanoma são conhecidas por metástase através de linfáticos (propagação linfática) e vasos sanguíneos (propagação hematógena)2,11. Enquanto a maioria dos pacientes apresenta doença localizada, um pequeno subconjunto de casos apresenta doença metastática distante e nenhuma disseminação linfática (envolvimento negativo do linfonodo)11, sugerindo a existência de vias metastáticas alternativas para o melanoma.
Quando colonizam um sítio metastático, as células de melanoma passam por adaptações epigenéticas e metabólicas12,13. Para acessar e invadir novos compartimentos, as células de melanoma empregam proteases14 e modificações citoesquelletal 11,15, que lhes permitem atravessar e crescer em sua nova localização. A dificuldade em direcionar as células de melanoma reside na complexidade e no número de adaptações; assim, o campo deve fazer esforços para recriar experimentalmente o maior número possível de etapas e adaptações. Apesar de inúmeros avanços em ensaios in vitro, como organoides e culturas 3D16,17, esses modelos apenas recapitulam indevidamente a cascata metastática in vivo.
Os modelos murinos têm mostrado valor ao encontrar um equilíbrio entre reprodutibilidade, viabilidade técnica e simulação de doença humana. Células de melanoma implantadas intravascularmente, ortototónicas e heterotototicamente de xenoenxertos derivados do paciente ou culturas de curto prazo em camundongos imuno-comprometidos ou humanizados representam a espinha dorsal da descoberta de alvos em melanoma metastático. No entanto, esses sistemas muitas vezes não têm uma restrição biológica crucial na metástase: o sistema imunológico. Modelos de metástase de melanoma síngênico que possuem essa restrição são relativamente escassos no campo. Esses sistemas, desenvolvidos em camundongos imunocompetuntes, incluindo B16-F1018, a família YUMM das linhas celulares19, SM120, D4M321, RIM322 ou mais recentemente, as linhascelulares RMS 23 e M1 (Mel114433), M3 (HCmel1274), M4 (B2905)24 linhas de células de melanoma, facilitam a investigação do papel complexo da resposta imune do hospedeiro na progressão do melanoma.
Aqui, é apresentado um pipeline para identificação de metas de metástase de melanoma. Com conjuntos de dados cada vez maiores de "omics" sendo gerados a partir de coortes de pacientes com melanoma, postulamos que os estudos que mais mantêm a promessa clínica são aqueles que decorrem da integração de big data, levando a um interrogatório funcional e mecanicista mecanicista mecático mecáticomecático. Ao usar modelos de camundongos para estudar potenciais alvos no processo metastático, pode-se explicar eventos in vivo e interações teciduais, aumentando assim a probabilidade de tradução clínica. Vários métodos para quantificar a carga metastática são descritos, fornecendo dados complementares sobre os resultados de qualquer experimento. Um protocolo para isolamento unicelular de tumores em vários órgãos é descrito para ajudar a caracterização imparcial da expressão genética em células metastáticas, que podem preceder o sequenciamento de RNA unicelular ou em massa.
NOTA: Os procedimentos animais envolvidos no seguinte protocolo foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade de Nova York (IACUC). Todos os procedimentos são realizados em instalações aprovadas pela Associação de Avaliação e Acreditação do Laboratório Animal Care International (AAALAC). A Figura 1 retrata a abordagem experimental geral.
1. Culturas de melanoma derivados do paciente (STCs)
Figura 1: Esquemático ilustrando o fluxo de trabalho descrito, desde a integração de dados do paciente até a geração e análise de dados in vivo de camundongos. Abreviaturas: LOF = perda de função; GOF = ganho de função. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Implantação de xenoenxerto
NOTA: Os procedimentos experimentais descritos aqui são realizados em camundongos que têm sistemas imunológicos adaptativos e inatas prejudicados, NOD.Cg-PrkdcscidIl2rgtm1Wjl/SzJ (NSG); ou em camundongos que não possuem imunidade adaptativa apenas, como os ratos atímicos/nus deficientes de células T (NU/J). Animais são de sexo masculino, 8 a 10 semanas de idade. As fêmeas frequentemente apresentam uma alta incidência de metástases gonadais após injeção intracardiac de células tumorais, o que reduz sua sobrevivência.
3. Cirurgia de sobrevivência encenada (SSS)
4. Imagem in vivo (Figura 2A)
5. Ressonância magnética ex vivo
6. Processamento de tecido para sequenciamento de RNA unicelular ou a granel
7. Perfusão de tecido animal e preparação para análises imunohistológicas
Figura 2: Exemplos de imagens de BLI, brightfield, ex vivo fluorescence e H&E que ilustram a abordagem multifacetado para a análise dos efeitos dos genes candidatos na metástase do melanoma. (A) BLI, (B) BF, (C) ex vivo fluorescence e (D) imagens de coloração de H&E. As imagens utilizadas para fins de ilustração correspondem a um experimento no qual células de melanoma 131/6-4L transduzidas com um shRNA de controle não direcionado (shNTC) ou um shRNA direcionado fut8 foram injetados em camundongos imunodeficientes (NSG). O silenciamento fut8 prejudicou a disseminação metastática das células de melanoma. Barras de escala e barra de cor = p/seg/cm2/sr × 106 (A), 100 mm (B, C), 100 μm (D). Abreviaturas: BLI = bioluminescência por imagem; H&E = hematoxilina e eosina; shRNA = RNA de grampo de cabelo curto; shNTC = shRNA de controle de não-direcionamento; NSG = diabético não obeso grave imunodeficiência gama; FUT8 = fucosyltransferase 8; BF = brightfield. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
8. Mancha de proteína do aparelho mitotístico nuclear (NuMA) (Figura 3)
9. Imunofluorescência de fatia de tecido
Para identificar o estágio metastático em que um determinado candidato genético é necessário (por exemplo, extravasação versus sobrevivência após a semeadura), pode-se determinar a imunofluorescência de fatia de tecido em diferentes pontos de tempo para rastrear a progressão das células tumorais da injeção para invasão de órgãos distantes, semeadura e crescimento. Essa abordagem permite a adição de marcadores para as células vizinhas capturarem o evento de extravasação e as alterações do microambiente tumoral circundante33.
Os números a seguir ilustram como o fluxo de trabalho descrito tem sido aplicado para a identificação de novos condutores de metástase de melanoma. A Figura 2 resume os resultados de um estudo publicado em que foram estudados26 os efeitos do silenciamento do fucosyltransferase FUT8 in vivo melanoma. Resumidamente, a análise dos dados glicomicomicos do paciente humano (obtidos por matrizes de lectina) e o perfil transcriômico revelaram níveis aumentados...
O objetivo deste relatório técnico é oferecer um fluxo de trabalho padronizado, de ponta a ponta para a investigação de potenciais atores em metástase de melanoma. Como os experimentos in vivo podem ser caros e demorados, estratégias para maximizar a eficiência e aumentar o valor das informações obtidas são primordiais.
É imprescindível a utilização de abordagens complementares ao longo de todo para cruzar os achados dentro do mesmo experimento. Por exemplo, tanto a col...
Os autores não têm conflitos de interesse para declarar.
Agradecemos à Divisão de Tecnologias avançadas de Pesquisa (DART) da NYU Langone Health, e, em particular, ao Laboratório de Pesquisa em Patologia Experimental, ao Centro de Tecnologia do Genoma, ao Laboratório de Citometria e Triagem Celular, ao Núcleo de Imagem Pré-Clínica, que são parcialmente apoiados pelo Perlmutter Cancer Center Support Grant NIH/NCI 5P30CA016087. Agradecemos ao Grupo Cooperativo Interdisciplinar de Melanoma da NYU (PI: Dr. Iman Osman) por fornecer acesso a culturas de curto prazo de melanoma derivados do paciente+ (10-230BM e 12-273BM), que foram obtidos por meio de protocolos aprovados pelo IRB (Estudo de Consentimento Universal #s16-00122 e estudo do Grupo Cooperativo Interdisciplinar de Melanoma #10362). Agradecemos ao Dr. Robert Kerbel (Universidade de Toronto) por fornecer linhas de células de melanoma 113/6-4L e 131/4-5B1* e Dr. Meenhard Herlyn (Instituto Wistar) por fornecerem culturas WM 4265-2, WM 4257s-1, WM 4257-2 melanoma culturas de curto prazo**. E.H. é apoiado pelo NIH/NCI R01CA243446, P01CA206980, um American Cancer Society-Melanoma Research Alliance Team Science Award, e um NIH Melanoma SPORE (NCI P50 CA225450; PI: I.O.). A Figura 1 foi criada com Biorender.com.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#15 Scapel Blade | WPI | 500242 | For surgical procedures |
#3 Scapel Handle | WPI | 500236 | For surgical procedures |
1 mL Tuberculin syringe, slip tip | BD | 309626 | Injections |
10 mL syringe, slip tip | BD | 301029 | Perfusion |
10% Formalin Sodium Buffered | EK Industries | 4499-20L | For perfusion/tissue fixative |
15 mL Conical | Corning | 430052 | Cell culture |
15 mL Conical Polypropylene Centrifuge Tubes | Falcon | 352196 | Cell culture |
200 Proof Ethanol | Deacon Labs | 04-355-223 | Histology |
22G – 22mm needle | BD | 305156 | Perfusion |
4-0 Vicryl Suture | Ethicon | J464G | Suture |
4% Carson's phosphate buffered paraformaldehyde | EMS | 15733-10 | For perfusion/tissue fixative |
40µm | Corning | 431750 | Tissue processing |
5-0 Absorbable Suture | Ethicon | 6542000 | Closure |
50 mL Conical | Corning | 430828 | Cell culture |
50mL Conical Polypropylene Centrifuge Tubes | Falcon | 352070 | Cell culture |
7-0 Silk suture | FST | 18020-70 | Ligature |
70µm | Corning | 431751 | Tissue processing |
Anti-fade mounting media | Vector Labs | H-1000-10 | Immunofluorescence |
Approximator applying Forceps, 10cm | WPI | 14189 | For microsurgical procedures |
Avance | Bruker | 3 HD | NMR Console |
Biospec 7030 | Bruker | 7030 | Micro MRI |
BSA | Bioreg | A941 | NuMA Staining |
Castroviejo suturing forceps, straight tips 5.5mm tying platform, 11cm | WPI | WP5025501 | For microsurgical procedures |
Coplin Staining Jar | Bel-Art | F44208-1000 | Histology |
DAPI | Sigma-Aldrich | D9542-1MG | Immunofluorescence |
dCas9-KRAB | Addgene | 110820 | Genetic manipulation |
DNase I | NEB | M0303L | Tissue processing |
DPBS | Corning | 21-030-CM | Tissue processing |
Extra Sharp Uncoated Single Edge Blade | GEM | 62-0167 | Tissue processing |
Extracellular Matrix Substrate | Corning | 354234 | Consider the Growth Factor Reduced ( as alternative |
FBS | Cytiva | SH30910.03 | Cell culture |
Fiji Image J | Fiji Image J | Software | Immunofluorescence |
Goat anti-rabbit HRP conjugated multimer | Thermo Fisher | A16104 | NuMA Staining |
Goat Serum | Gibco | PCN5000 | Immunofluorescence |
HBSS | Corning | 21-020-CV | Tissue processing |
Hematoxylin | Richard-Allan Scientific | 7231 | Histology |
Illumina III | PerkinElmer | CLS136334 | BLI Instrument |
Insulin syringe 28G - 8mm needle | BD | 329424 | Injections |
Insulin syringe 31G - 6mm needle | BD | 326730 | Injections |
Iris Forceps, 10.2cm, Full Curve, serrated | WPI | 504478 | For perfusion and surgical procedures |
Isoflurane USP | Covetrus | 11695067772 | Anesthesia |
Jewelers #7 Forceps Titanium 11 cm 0.07 x 0.01 mm Tip | WPI | WP6570 | For microsurgical procedures |
Ketamine HCl 100mg/mL | Mylan Ind. | 1049007 | Anesthesia |
lentiCRISPRv2 | Addgene | 98290 | Genetic manipulation |
Lycopersicon Esculentum (Tomato) Lectin, DyLight 649 | Invitrogen | L32472 | Vascular endothelial cells marker |
MEM non-essential amino acids X 100 | Corning | 25-025-CI | Cell culture |
Metzenbaum Scissors | WPI | 503269 | For surgical procedures |
Microinjection Unit | KOPF | 5000 | Intracardiac injections |
NaCl | Fisher | S25877 | NuMA Staining |
Needle 30G x 25mm | BD | 305128 | Intracardiac Injection |
Needle 33G x 15mm | Hamilton | 7747-01 | Intracarotid Injection |
Needle holder, Castroviejo, 14cm, with lock, 1.2mm Serrated Jaws | WPI | 14137-G | For microsurgical procedures |
NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ mice | The Jackson Laboratory | 005557 | Murine model |
NU/J mice | The Jackson Laboratory | 002019 | Murine model |
Nuclear Mitotic Apparatus Protein polyclonal rabbit anti-human | Abcam | 97585 | NuMA Staining |
Penicillin-Streptomycin 10000U/mL | Gibco | 15140122 | Cell culture |
Percoll | GE | 0891-01 | density separation solution |
PI Classic Surgical Gloves | Cardinal Health | 2D72PT75X | Surgery |
pLKO Tet-On | Addgene | 21915 | Genetic manipulation |
Povidone-Iodine 10% Solution | Medline | MDS093943 | Surgery |
Proparacaine Drops 0.5% | Akorn Pharma | AX0501 | Opthalmic local anesthetic |
Puralube Petrolatum Opthalmic Ointment | Dechra | 83592 | Anesthesia |
Razor Blade Double Edge Blades | EMS | 72000 | Shaving and Vibrotome Brain Slicing |
Reflex 9mm EZ Clip | Braintree | EZC- KIT | Wound closure |
RPMI 1640 | Corning | 10-040-CM | Cell culture |
Scissors, Spring 10.5cm Str, 8mm Blades | WPI | 501235 | For microsurgical procedures |
Semi-Automatic Vibrating Blade Microtome | Leica | VT1200 | Brain Slice Immunofluorescence |
Single Channel Anesthesia Vaporizer System | Kent Scientific | VetFlo-1210S | Anesthesia |
Smartbox Tabletop Chamber System and Exhaust Blower | EZ Systems | TT4000 | CO2 Euthanasia |
Sterile Fenestrated Disposable Drape | Medline | NON21002 | Surgery |
Sterile Non-Reinforced Aurora Surgical Gowns with Set-In Sleeves | Medline | DYNJP2715 | Surgery |
T25 Flask | Corning | 430639 | Cell culture |
Tris | Corning | 46-031-CM | NuMA Staining |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-500ML | Immunofluorescence |
Troutman tying forceps, 10cm, Curved G pattern, 0.52mm tip with tying platform | WPI | WP505210 | For microsurgical procedures |
Vessel clips 10G Pressure 5x 0.8mm Jaws, 5/pkg | WPI | 15911 | For microsurgical procedures |
Visiopharm | Visiopharm | Visiopharm | NuMA Staining Quantification Software |
Xylasine 100mg/mL | Akorn Pharma | 59399-111-50 | Anesthesia |
Xylene | Fisher | X3P-1GAL | Histology |
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