Name: robotic production of cancer cell spheroids with an aqueous two-phase system for drug testing
Uploaded: 2015-04-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 58 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Robotic Production of Cancer Cell Spheroids with an Aqueous Two-phase System for Drug Testing at JoVE.com

The authors acknowledge funding from the National Institutes of Health R21CA182333.

1. Preparação de polimérica aquosa sistema de duas fases (SADF) <ol><li> Pesar 0,5 g de polietileno glicol (PEG) (PM: 35.000) e adicioná-lo a 9,5 ml de meio de crescimento completo numa cónico de 15 ml estéril para preparar 10 ml de 5% (w / v) de PEG fase aquosa. Nota: A adição de metade do meio com o primeiro cónica seguido pela adição do polímero e, em seguida, a quantidade remanescente de forma minimiza a adesão do polímero às paredes cónicas e ajuda o polímero dissolver-se mais rapidamente. </li><li> Pesar 0,128 g de dextrano (DEX) (MW: 500.000) e adicioná-lo a 0,872 ml de meio de crescimento completo num tubo de microcentrífuga de 1,5 ml estéril para preparar a 1 ml de 12.8% (w / v) de fase aquosa DEX. </li><li> Vortex tanto soluções durante cerca de 1 min para dissolver os polímeros na forma. </li><li> Mantenha as duas soluções num banho de água a 37 ° C durante 1 hora para assegurar a dissolução e misturas homogéneas. Manter as tampas acima do nível de água para evitar a possibilidade de contaminação das soluções do banhoágua. </li><li> Carregar a solução em uma fase de PEG estéril, uma seringa de plástico e passá-la através de um filtro de seringa de 0,2 um de tamanho dos poros para remover as impurezas. Nota: Encher a seringa com a solução de PEG, colocá-lo na inserção do filtro no topo de um tubo cónico e utilizar a força, empurrar lentamente a solução através do filtro. É normal a ocorrência de resistência contra o movimento do êmbolo da seringa. Menor perda da solução de polímero ocorre como parte da solução permanece no filtro, mas a concentração de polímero não irá mudar. </li><li> Pipetar 10 ml da solução da fase de DEX e dilui-lo em 10 ul de meio em um tubo separado para resultar em 6,4% (w / v) de fase DEX. Aspirar 100 ul da solução da fase de PEG e fornecê-las a uma placa de Petri. <ol><li> Dispensar a 0,5 ul de 6,4% (w / v) de fase DEX na solução de fase de PEG. Confirme visualmente formação ATPS sucesso observando uma queda DEX sob um microscópio. O limite gotadeve permanecer visível, indicando presença de duas fases aquosas estáveis, separados. </li></ol></li><li> Guarde o estoque aquoso PEG e soluções fase DEX em 4 ° C até o uso. Nota: Recomenda-se que as soluções de polímeros são preparados fresco antes de cada experiência e utilizada dentro de 24 horas de armazenamento. </li></ol> 2. Preparação para a Impressão de Câncer Spheroids Celulares <ol><li> Crescer as células cancerosas de interesse (por exemplo, células MDA-MB-157 de cancro da mama) com um 90% -100% monocamada confluente. Para MDA-MB-157 células, utilizar um meio composto por DMEM contendo 10% de FBS, 1% de glutamina, e 1% de antibiótico. <ol><li> Células colheita, usando um tampão de dissociação celular (de acordo com o protocolo do fabricante) e carregar a suspensão para um cónico de 15 ml. Centrifuga-se que durante 5 min a 173,3 xg, remover o sobrenadante e ressuspender as células em 1 ml de meio de crescimento completo. </li></ol></li><li> As células de carga em um hemocitômetro e contá-los para calcular o número necessáriode células para uma densidade de células desejada esferóide. Uma monocamada confluente de células MDA-MB-157 células cultivadas em um frasco T75 geralmente dá ~ 7 x 10 6 células. Recomenda-se a densidade celular Requerida para um volume de gota para gerar um único esferóide dependerá do tipo de célula 22 Por exemplo, uma densidade de 1,5 x 10 4 ou maior para MDA-MB-157 células por 0,3 ul de fase gota a DEX: Nota. assegurar a formação de um único esferóide. </li><li> Centrifugar células para uma segunda vez durante 5 min a 173,3 x g e ressuspender-los num volume apropriado de meio de crescimento para concentrar a suspensão até uma densidade de células desejada. Nota: Por exemplo, se 7 x 10 6 células cancerosas foram colhidas, o volume total de suspensão de células necessário para formar um esferóide de densidade de 1,5 x 10 células em 4 ul de 0,3 DEX gota fase será de 140 ul. No entanto, devido à diluição com a solução da fase de DEX no passo seguinte, utilizar apenas 70 ul de meio de cultura celular para ressuspender as células. </li><li&gt; Adicionar a suspensão de células resultante num volume igual de 12,8% (w / v) de solução aquosa de fase DEX preparado em 1.2. Para o exemplo de densidade esferóide 1,5 x 10 4 células, 70 ul da solução da fase de DEX é adicionado a 70 uL de suspensão de células. </li><li> Misture bem a suspensão de células para garantir a distribuição uniforme de células e mistura de solução DEX. A pipetagem para cima e para baixo deve ser feito com cuidado para evitar a formação de bolhas. </li></ol> 3. Preparação para a Impressão de Spheroids Co-cultura <ol><li> Crescer as células cancerosas (por exemplo, MDA-MB-157 células de cancro da mama humano) e células de suporte (por exemplo, fibroblastos humanos) para um de 90% -100% monocamada confluente. Colheita de cada tipo celular utilizando um tampão de dissociação de células (de acordo com o protocolo do fabricante). <ol><li> Carregar cada suspensão numa cónico de 15 ml e centrifugar para clarificação durante 5 min a 173,3 x g, e a partir de cada sobrenadante aspirado cónica. Ressuspender as células de cada cónica em 1 ml de completa gmédio rescimento. Nota: corantes fluorescentes tais como Calceina AM (mancha de células vivas) e corantes nucleares (Hoechst) pode ser utilizada para distinguir os dois tipos de células. </li></ol></li><li> Carregar cada tipo de célula separadamente para um hemocitómetro e contá-las para calcular o número necessário de cada tipo de célula para uma proporção desejada de células cancerosas para células de suporte em esferóides co-cultivadas. As monocamadas confluentes de células MDA-MB-157 e as células fibroblastos cultivadas em frascos T75 geralmente dar 7 x 10 ~ 6 e 10 ~ 6 x 6 células, respectivamente. </li><li> Adicionar o volume correcto a partir da suspensão de células de suporte para as células cancerosas suspensão para dar uma proporção desejada dos dois o número de tipos de células. Por exemplo, usar uma proporção de 50 células cancerosas para 1 célula de fibroblasto. </li><li> Centrifugar a cónico contendo a suspensão celular misturada durante 5 min a 173,3 xg células e ressuspender em um volume apropriado para resultar na densidade final compreendendo de volumes iguais de meio de crescimento e a 12,8% (w / v) aquosa DEXem fase de solução (preparado em 1.2). </li><li> Pipeta suavemente a suspensão de células resultante para cima e para baixo para assegurar a homogeneidade da suspensão. </li></ol> 4. Impressão de esferóides de Tumor em uma placa de 96 poços <ol><li> Um dia antes das experiências, revestimento, de fundo redondo de placas de 96 poços não tratados com 1% (w / v) de Pluronic a 37 ° C durante 24 horas. Este revestimento impede a fixação das células durante o período de cultura. </li><li> Dispensar a 50 ul de filtrado 5% (w / v) de fase aquosa de PEG em cada poço de uma placa de 96 poços (placa de destino). </li><li> Usando uma pipeta, mistura da suspensão de células (preparado no passo 2 passo 3 ou para mono- e co-cultura, respectivamente) e adicionar 20 ul da suspensão a cada poço de uma outra coluna de uma placa de 384 poços (placa de fonte) . </li><li> Ligue o manipulador de líquidos e &quot;casa&quot; a cabeça de pipetagem para registrar as coordenadas. Em seguida, elaborar um protocolo previamente definido (abaixo de 4.6) para garantir material de laboratório e os parâmetros são definidos corretaly. Este &quot;homing&quot; passo pode ser diferente para manipuladores de líquidos diferentes. Nota: O fluxo do protocolo, mostrado passo-a-passo abaixo em 4.6, será semelhante independentemente do manipulador de líquidos robótico usado; no entanto, a interface de programação podem ser diferentes, devido à utilização de software diferente. </li><li> Colocar a placa de fonte, a placa de destino, e caixas de ponta da pipeta em posições definidas na estação de trabalho do manipulador de líquidos, tal como mostrado na Figura 1. </li><li> Executar o protocolo que inclui os seguintes passos: <ol><li> Coloque uma coluna de barris de cabeça pipetagem do manipulador líquido com mistura pontas de pipeta (8 pontas) da estação de trabalho (Figura 1). </li><li> Misture a suspensão de células em cavidades da placa de fonte (Figura 1). Escolher um volume de mistura menor do que o volume de suspensão de células em poços para evitar a formação de bolhas. </li><li> Ejetar dicas em uma caixa de aterros vazio (Figura 1). </li&gt; <li> Carregar uma coluna de barris de a cabeça de pipetagem com 10 ul de distribuição de pontas de pipetas (Figura 1). </li><li> Aspirar 0,3 ul da suspensão de células a partir da placa de fonte (Figura 1) em cada ponta de pipeta. </li><li> Dispensar a suspensão de células em cavidades de uma coluna da placa de destino (Figura 1). Utilize uma altura de distribuição de 0,5 mm e um caudal de distribuição de menores do que 1? L / seg. </li><li> Repita os passos 4.6.1 4.6.6 através de impressão até a coluna-a-coluna para a totalidade da placa de destino é completa. </li></ol></li><li> Remover cuidadosamente a placa de destino a partir da superfície da estação de trabalho e colocá-lo numa incubadora húmida a 37 ° C e 5% de CO 2. Manter a placa horizontal quando o levar para a incubadora para evitar prejudicar o de gotas de fase DEX contendo células. </li><li> Incubar a placa durante 24 h, para permitir a agregação de células num esferóide dentro da gota fase DEX. </li></ol> &lt;p class = &quot;jove_title&quot;&gt; 5. Drug Treatment of Cancer Spheroids Celulares Note-se que o protocolo seguinte é para um tratamento medicamentoso de 4 dias e inclui uma renovação com droga fresca após dia 2. Ela pode ser modificado para outros períodos de tratamento. <ol><li> Confirmar visualmente a formação de esferóides, em placas de 96 poços depois de 24 horas. Se necessário, poços de imagem para medição do tamanho de esferóides pela média das menores e maiores diâmetros de cada esferóide. </li><li> Preparar a solução de stock de um medicamento desejado, dissolvendo-o num solvente recomendado pelo fabricante, a uma concentração pré-determinada a solubilidade. Por exemplo, dissolve-se a cisplatina em água a 2 mg / ml. Nota: Proteja a solução estoque da droga da luz, se a droga é sensível à luz. </li><li> Usando a técnica de diluição em série, preparar as concentrações de droga diluídas com meio de cultura de células a partir da solução preparada no passo anterior. Cada diluição deve ser feita duas vezes a concentração desejada. Dilrácios ution irá variar dependendo da concentração do material de partida desejado e concentrações de trabalho. </li><li> Adicionar 50 ul de solução de droga foi preparada na etapa anterior a cada poço. Isto pode ser realizado roboticamente ou por pipetagem manual. Nota: Cada concentração de droga será diluído para metade, para a concentração desejada por 50 ul da fase aquosa PEG já em cada poço. <ol><li> Use esferóides de duas colunas de uma placa de 96 poços (n = 16) para cada concentração. </li><li> Em cavidades de controlo, adicionar apenas 50 ul de meio de cultura fresco aos 50 ul existentes da fase aquosa PEG. </li></ol></li><li> Incubar esferóides com o fármaco durante 48 horas a 37 ° C e 5% de CO 2, protegido da luz. </li><li> Após 48 horas de incubação, preparar diluições frescas de droga em concentrações desejadas e renovar droga por adição de 50 uL de solução de droga fresco a cada poço. Nota: Os poços já conter a concentração da droga desejada a partir da primeira droga tratamento. Por conseguinte, nesta fase renovação, cada concentração é preparada na concentração desejada, desde que não irá ocorrer a diluição. </li><li> Incubar esferóides com a droga durante mais 48 horas a 37 ° C e 5% de CO 2, protegido da luz. </li></ol> 6. Análise de Viabilidade Celular em esferóides <ol><li> Após 48 horas de incubação com renovada droga (isto é, o tempo total de tratamento de esferóides com um fármaco é de 4 dias), medir o volume total do meio de um bem por pipetagem manual. Nota: O volume típica em um poço é de ~ 140 mL (uma pequena diminuição ocorre devido à evaporação). </li><li> Calcular o volume de reagente a viabilidade das células (por exemplo, PrestoBlue) como a concentração de 10% do volume total do bem. Adicionar o volume de reagente a viabilidade das células para cada poço. Nota: Com um volume de suporte existente de 140 pi de um poço, num volume de 15,6 uL é necessária para dar uma concentração de 10% do total bem. Este valor é calculadodividindo o volume de mídia existente por 9 (140 l / 9 = 15,6 ul). </li><li> Incubar a placa, com o reagente de viabilidade celular adicionada a cada poço, durante 6 h a 37 ° C, protegida da luz. </li><li> Colocar a placa num leitor de micro-placa e ler o sinal de fluorescência a 560 nm e 590 nm de excitação e de emissão de comprimentos de onda, respectivamente. </li><li> Calcula-se a percentagem de viabilidade de células em esferóides com a normalização do sinal fluorescente de poços tratados para os poços de controlo de que a média dos valores depois de as mesmas condições de tratamento. </li></ol>

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Mater. 8, 736-741 (2009).</li><li>Tavana, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymeric+aqueous+biphasic+system+rehydration+facilitates+high+throughput+cell+exclusion+patterning+for+cell+migration+studies.">Polymeric aqueous biphasic system rehydration facilitates high throughput cell exclusion patterning for cell migration studies.</a> Adv. Func. Mater. 21, 2920-2926 (2011).</li><li>Tavana, H., Mosadegh, B., Takayama, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymeric+aqueous+biphasic+systems+for+non-contact+cell+printing+on+cells:+engineering+heterocellular+embryonic+stem+cell+niches.">Polymeric aqueous biphasic systems for non-contact cell printing on cells: engineering heterocellular embryonic stem cell niches.</a> Adv. Mater. 22, 2628-2631 (2010).</li><li>Tavana, H., Mosadegh, B., Zamankhan, P., Grotberg, J. B., Takayama, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microprinted+feeder+cells+guide+embryonic+stem+cell+fate.">Microprinted feeder cells guide embryonic stem cell fate.</a> Biotechnol. Bioeng. 108, 2509-2516 (2011).</li><li>Kalluri, R., Zeisberg, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Nat Rev Cancer. 6, 392-401 (2006).</li><li>Olsen, C. J., Moreira, J., Lukanidin, E. M., Ambartsumian, N. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+mammary+fibroblasts+stimulate+invasion+of+breast+cancer+cells+in+a+three-dimensional+culture+and+increase+stroma+development+in+mouse+xenografts.">Human mammary fibroblasts stimulate invasion of breast cancer cells in a three-dimensional culture and increase stroma development in mouse xenografts.</a> BMC Cancer. 10, 444 (2010).</li><li>Ozdemir, B. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Depletion+of+carcinoma-associated+fibroblasts+and+fibrosis+induces+immunosuppression+and+accelerates+pancreas+cancer+with+reduced+survival.">Depletion of carcinoma-associated fibroblasts and fibrosis induces immunosuppression and accelerates pancreas cancer with reduced survival.</a> Cancer Cell. 25, 719-734 (2014).</li><li>Hsiao, A. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+system+for+formation+of+PC-3+prostate+cancer+co-culture+spheroids.">Microfluidic system for formation of PC-3 prostate cancer co-culture spheroids.</a> Biomaterials. 30, 3020-3027 (2009).</li><li>Friedrich, J., Seidel, C., Ebner, R., Kunz-Schughart, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spheroid-based+drug+screen:+considerations+and+practical+approach.">Spheroid-based drug screen: considerations and practical approach.</a> Nat. Protoc. 4, 309-324 (2009).</li><li>Weigelt, B., Bissell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unraveling+the+microenvironmental+influences+on+the+normal+mammary+gland+and+breast+cancer.">Unraveling the microenvironmental influences on the normal mammary gland and breast cancer.</a> Semin. Cancer Biol. 18, 311-321 (2008).</li><li>Mueller, M. M., Fusenig, N. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Friends+or+foes+-+bipolar+effects+of+the+tumour+stroma+in+cancer.">Friends or foes - bipolar effects of the tumour stroma in cancer.</a> Nature Reviews Cance. 4, 839-849 (2004).</li><li>Bissell, M. J., Radisky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Putting+tumours+in+context.">Putting tumours in context.</a> Nat. Rev. Cancer. 1, 46-54 (2001).</li></ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Spheroids apresentar um modelo realista para compreender melhor a fisiologia tumor e eficácia da droga e fornecer uma ferramenta útil para anti-câncer de descoberta de drogas. Tais aplicações iria beneficiar muito de técnicas simples de geração e manutenção esferóide que exigem apenas o material de laboratório padrão, ferramentas de manipulação de líquidos e equipamentos de rastreio. O uso de um sistema aquoso de duas fases nas células cancerosas, espontaneamente agregados dentro da fase gota permite a ...

Ensaios baseados em células fornecer uma ferramenta importante para o desenvolvimento e descoberta de novos fármacos anti-cancro. 1,2 Historicamente, culturas em monocamada de células de cancro têm sido utilizados para investigar a eficácia dos compostos candidatos em relação a determinados tipos de células cancerosas. A facilidade de manutenção das culturas em monocamada em placas de cultura padrão, o grau de compatibilidade de placas padrão com ferramentas comerciais robóticos para a adição de reagentes, e com equipamentos de controlo para análise de respostas celulares a jusante para os compostos químicos são os principais benefícios que tornam culturas 2D uma ferramenta atraente para testes de drogas 3. Infelizmente, os ensaios em monocamada de células muitas vezes não conseguem prever a eficácia de compostos in vivo, tornando o desenvolvimento de drogas e descoberta de um processo extremamente caro. 4,5 Apesar de investimento e esforço significativo por empresas farmacêuticas e unidades acadêmicas, apenas cerca de 1% de anti-câncer drogas em ensaios clínicos foram aprovadospelo FDA nos últimos duas décadas. 6 Disparidade entre as culturas em 2D e 3D ambiente complexo de células cancerosas in vivo é uma grande falha dos sistemas de cultura em monocamada. 7 Portanto, a triagem de compostos candidatos contra células tumorais em um cenário que mais se assemelha o ambiente tumor 3D pode acelerar o desenvolvimento de novas drogas de quimioterapia. 8 Esferóides de células de cancro apresentar um modelo de tumor in vitro 3D relevante. 9,10 esferóides compactos são aglomerados que se formam através da montagem espontânea ou induzida de células cancerosas em superfícies não-aderentes ou em suspensão, utilizando técnicas tais como balão giratório, sobreposição de líquido, microbiologia microfabricado . bem arrays, microfluídica, e gotas de suspensão 11-16 Spheroids imitar características-chave de tumores sólidos, incluindo geometria e limitado de transporte de oxigênio, nutrientes e compostos de drogas na zona central; Assim, eles se regenerar mais de perto respon drogase de tumores sólidos, em comparação com as culturas de monocamada 17-19 Apesar deste benefício marcado., esferóides não são rotineiramente utilizados para o rastreio de compostos químicos contra as células cancerosas. Dificuldade de produzir esferóides tamanho uniforme em um cenário de alta taxa de transferência padrão que é compatível com a robótica comercialmente disponíveis e ferramentas de triagem / imagem impede a incorporação da cultura esferóide em pipeline de desenvolvimento de medicamentos. Embora os materiais e placas personalizadas tornaram-se recentemente disponível no mercado para atender a essa necessidade, considerações de custo dissuadir a sua utilização generalizada. Duas importantes técnicas com a capacidade de produzir esferóides porte consistentes em alto rendimento utilizar uma nova plataforma de gota suspensa e micro-poços microfabricados 13,16,20. No entanto, ambas as abordagens requerem placas e dispositivos que são caros para fabricar e inconveniente para os usuários de endpoint especiais em centros de pesquisa do núcleo e indústrias farmacêuticas, onde o mais importante de effortes para a descoberta de novas drogas anti-cancerosas são feitos. Apesar de algumas melhorias na estabilidade de gotas contendo células com um projeto recente de pendurar placas de queda, apenas um ou outro buraco da placa ainda é usado durante a cultura para evitar a propagação / fusão de gotas. 16 Isto diminui significativamente o rendimento experimental. Adição da droga e de renovação é difícil com o manual ou pipetagem robotizada esferóides e precisam de ser transferidos para uma placa padrão para a análise bioquímica porque esta configuração placa não é facilmente compatível com o equipamento de rastreio convencionais, tais como leitores de placas. 21 As micro-poços fabricados utilizando litografia macia também permitir tamanho controlado produção esferóide. 13,20 No entanto, a incompatibilidade desta plataforma com ferramentas de pipetagem padrão impede o tratamento de esferóides individuais com diferentes compostos de drogas / concentrações, expondo todos os esferóides a uma condição de tratamento individual. Assim, este método não é apropriado para elevadorastreio de compostos caudal que requer o teste simultâneo de vários compostos / concentrações. Para superar estes obstáculos, uma nova técnica de alto rendimento de produção de esferóides de células de cancro tamanho consistente em placas de 96 poços padrão foi desenvolvido. 22,23 A abordagem baseia-se num sistema de duas fases aquosa polimérica (SAB) com polietileno-glicol ( PEG) e dextrano (DEX) como polímeros de formação de fases. 24 ATPSs foram recentemente utilizado em uma variedade de aplicações biológicas romance celulares que permitam micropatterning célula e entrega localizada de reagentes biológicos para as células em meios aquosos altamente 25-32. Para formar uma esferóide, as células cancerosas são misturados com a fase aquosa DEX e uma gota de sub-microlitros da suspensão resultante é pipetada para dentro de uma solução aquosa de fase de PEG contendo a imersão bem. A queda continua a fase imiscível de imersão e confina células para facilitar a formação de um esferóide. Diabinhoortantly, a fase de imersão altamente aquoso fornece os nutrientes para as células do esferóide e minimiza o problema bem conhecido de evaporação meios comum para alguns outros ensaios que causa mudanças na osmolalidade meios e flutuações de concentrações de droga. Esta técnica permite a produção esferóide e tratamento de drogas só utilizando reagentes comercialmente disponíveis e as ferramentas de pipetagem em placas de 96 poços convencionais. É importante notar que a análise de respostas celulares de esferóides é realizada na mesma placa por meio de ensaios bioquímicos convencionais e leitores de placas. A facilidade de trabalhar com ATPS e adaptabilidade da abordagem para manipulação de líquidos robótico faz geração de alto rendimento de ambos mono-cultura e co-cultura esferóides uma técnica de laboratório simples. Esta nova abordagem será um grande passo à frente em direção à integração de esferóides de células cancerosas em processos de desenvolvimento de drogas e de descoberta com melhor rendimento testes e custo-efetividade (aumento do número de compostos testados e reduconsumo ced reagente) e eficiência (reduzindo mãos no tempo). Um protocolo detalhado para produção robótico de esferóides de células de cancro em placas de 96 poços utilizando a abordagem APTS é descrito abaixo. Além disso, os detalhes do tratamento medicamentoso de esferóides resultantes e análise de respostas celulares a jusante utilizando um ensaio bioquímico comercial são apresentados.

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Reagents and Consumables&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Polyethylene glycol, MW: 35,000</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>94646</td><td></td></tr><tr><td>Dextran, MW: 500,000</td><td>Pharmacosmos</td><td>5510 0500 9007</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&#039;s Modified Eagle Medium (DMEM)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D6429</td><td></td></tr><tr><td>Fetal Bovine Serum</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>12306C</td><td></td></tr><tr><td>Glutamine</td><td>Life Technologies</td><td>35050-061</td><td></td></tr><tr><td>Antibiotic</td><td>Life Technologies</td><td>15240-062</td><td></td></tr><tr><td>Clacein AM</td><td>Life Technologies</td><td>C3100MP</td><td></td></tr><tr><td>Hoechst</td><td>Life Technologies</td><td>33342</td><td></td></tr><tr><td>Cisplatin</td><td>Spectrum Chemicals</td><td>15663-27-1</td><td></td></tr><tr><td>PrestoBlue</td><td>Life Technologies</td><td>A-13261</td><td></td></tr><tr><td>Pluronic F-108</td><td>Sigma Aldrich</td><td>542342</td><td></td></tr><tr><td>Disposable Tips (10 &amp;micro;l)</td><td>Fluotics</td><td>C-P10V11.ST</td><td></td></tr><tr><td>Disposable Tips (70 &amp;micro;l)</td><td>Fluotics</td><td>C-P70V11.ST</td><td></td></tr><tr><td>Round-bottom 96-well plates</td><td>Nunc</td><td>268200</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Liquid Handler</td><td>Agilent Technologies</td><td>SRT Bravo</td><td></td></tr><tr><td>Microplate Reader</td><td>Biotek Instruments</td><td>Synergy H1M</td><td></td></tr></tbody></table>

robotic production of cancer cell spheroids with an aqueous two-phase system for drug testing

Cancer cell spheroids present a relevant in vitro model of avascular tumors for anti-cancer drug testing applications. A detailed protocol for producing both mono-culture and co-culture spheroids in a high throughput 96-well plate format is described in this work. This approach utilizes an aqueous two-phase system to confine cells into a drop of the denser aqueous phase immersed within the second aqueous phase. The drop rests on the well surface and keeps cells in close proximity to form a single spheroid. This technology has been adapted to a robotic liquid handler to produce size-controlled spheroids and expedite the process of spheroid production for compound screening applications. Spheroids treated with a clinically-used drug show reduced cell viability with increase in the drug dose. The use of a standard micro-well plate for spheroid generation makes it straightforward to analyze viability of cancer cells of drug-treated spheroids with a micro-plate reader. This technology is straightforward to implement both robotically and with other liquid handling tools such as manual pipettes.

A estação de trabalho do manipulador de líquidos robótico é mostrado na Figura 1. A cabeça de pipetagem e todas as estações utilizadas na impressão robótico de esferóides na secção 4.6 são rotulados. A imagem mostra a utilização de duas estações diferentes para caixas de ponta (um conjunto de dicas para a mistura e o segundo conjunto para aspiração / dispensação de mistura fase DEX suspensão aquosa de células). Toda a configuração está alojado dentro de um armário de norma de...

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Robotic Production of Cancer Cell Spheroids with an Aqueous Two-phase System for Drug Testing

A protocol for robotic printing of cancer cell spheroids in a high throughput 96-well plate format using an aqueous two-phase system is presented.

Produção Robotic da Cancer Cell Spheroids com um sistema aquoso bifásico para Drug Testing

Cancer cell spheroids present a relevant in vitro model of avascular tumors for anti-cancer drug testing applications. A detailed protocol for producing ...

robotic-production-cancer-cell-spheroids-with-an-aqueous-two-phase

Research

JoVE Journal

Bioengineering

9.0K visualizações.  The University of Akron. A protocol for robotic printing of cancer cell spheroids in a high throughput 96-well plate format using an aqueous two-phase system is presented.

Vídeo: Robotic Production of Cancer Cell Spheroids with an Aqueous Two-phase System for Drug Testing

Generation of High-Throughput Three-Dimensional Tumor Spheroids for Drug Screening

Cancer cells have routinely been cultured in two dimensions (2D) on a plastic surface. This technique, however, lacks the true environment a tumor mass is exposed to in vivo. Solid tumors grow not as a sheet attached to plastic, but instead as a collection of clonal cells in a three-dimensional (3D) space interacting with their neighbors, and with distinct spatial properties such as the disruption of normal cellular polarity. These interactions cause 3D-cultured cells to acquire morphological and cellular characteristics which are more relevant to in vivo tumors. Additionally, a tumor mass is in direct contact with other cell types such as stromal and immune cells, as well as the extracellular matrix from all other cell types. The matrix deposited is comprised of macromolecules such as collagen and fibronectin.
In an attempt to increase the translation of research findings in oncology from bench to bedside, many groups have started to investigate the use of 3D model systems in their drug development strategies. These systems are thought to be more physiologically relevant because they attempt to recapitulate the complex and heterogeneous environment of a tumor. These systems, however, can be quite complex, and, although amenable to growth in 96-well formats, and some now even in 384, they offer few choices for large-scale growth and screening. This observed gap has led to the development of the methods described here in detail to culture tumor spheroids in a high-throughput capacity in 1536-well plates. These methods represent a compromise to the highly complex matrix-based systems, which are difficult to screen, and conventional 2D assays. A variety of cancer cell lines harboring different genetic mutations are successfully screened, examining compound efficacy by using a curated library of compounds targeting the Mitogen-Activated Protein Kinase or MAPK pathway. The spheroid culture responses are then compared to the response of cells grown in 2D, and differential activities are reported. These methods provide a unique protocol for testing compound activity in a high-throughput 3D setting.

Across a wide variety of disease indications, more physiologically relevant models are being developed and implemented into drug discovery programs. The new model system described here demonstrates how three-dimensional tumor spheroids can be cultured and screened in a high-throughput 1536-well plate-based system to search for new oncology drugs.

Geração de esferoides Tumor tridimensional de alta produtividade para triagem de drogas

Cancer cells have routinely been cultured in two dimensions (2D) on a plastic surface. This technique, however, lacks the true environment a tumor mass is ...

Pesquisa do câncer

Analysis of Cancer Cell Invasion and Anti-metastatic Drug Screening Using Hydrogel Micro-chamber Array (HMCA)-based Plates

Cancer metastasis is known to cause 90% of cancer lethality. Metastasis is a multistage process which initiates with the penetration/invasion of tumor cells into neighboring tissue. Thus, invasion is a crucial step in metastasis, making the invasion process research and development of anti-metastatic drugs, highly significant. To address this demand, there is a need to develop 3D in vitro models which imitate the architecture of solid tumors and their microenvironment most closely to in vivo state on one hand, but at the same time be reproducible, robust and suitable for high yield and high content measurements. Currently, most invasion assays lean on sophisticated microfluidic technologies which are adequate for research but not for high volume drug screening. Other assays using plate-based devices with isolated individual spheroids in each well are material consuming and have low sample size per condition. The goal of the current protocol is to provide a simple and reproducible biomimetic 3D cell-based system for the analysis of invasion capacity in large populations of tumor spheroids. We developed a 3D model for invasion assay based on HMCA imaging plate for the research of tumor invasion and anti-metastatic drug discovery. This device enables the production of numerous uniform spheroids per well (high sample size per condition) surrounded by ECM components, while continuously and simultaneously observing and measuring the spheroids at single-element resolution for medium throughput screening of anti-metastatic drugs. This platform is presented here by the production of HeLa and MCF7 spheroids for exemplifying single cell and collective invasion. We compare the influence of the ECM component hyaluronic acid (HA) on the invasive capacity of collagen surrounding HeLa spheroids. Finally, we introduce Fisetin (invasion inhibitor) to HeLa spheroids and nitric oxide (NO) (invasion activator) to MCF7 spheroids. The results are analyzed by in-house software which enables semi-automatic, simple and fast analysis which facilitates multi-parameter examination.

Analysis of Cancer Cell Invasion and Anti-metastatic Drug Screening Using Hydrogel Micro-chamber Array HMCA-based Plates

A HMCA-based imaging plate is presented for invasion assay performance. This plate facilitates the formation of three-dimensional (3D) tumor spheroids and the measurement of cancer cell invasion into the extracellular matrix (ECM). The invasion assay quantification is achieved by semi-automatic analysis.

Análise de invasão de células de câncer e usando a matriz de hidrogel Microcâmara (HMCA) de despistagem de drogas antimetastática-baseado placas

Cancer metastasis is known to cause 90% of cancer lethality. Metastasis is a multistage process which initiates with the penetration/invasion of tumor ...

A Spheroid Killing Assay by CAR T Cells

Immunotherapy has become a field of growing interest in the fight against cancer otherwise untreatable. Among all immunotherapeutic methods, chimeric antigen receptor (CAR) redirected T cells obtained the most spectacular results, in particular with pediatric B-acute lymphoblastic leukemia (B-ALL). Classical validation methods of CAR T cells rely on the use of specificity and functionality assays of the CAR T cells against target cells in suspension and in xenograft models. Unfortunately, observations made in vitro are often decoupled from results obtained in vivo and a lot of effort and animals could be spared by adding another step: the use of 3D culture. The production of spheroids out of potential target cells that mimic the 3D structure of the tumor cells when they are engrafted into the animal model represents an ideal alternative. Here, we report an affordable, reliable and easy method to produce spheroids from a transduced colorectal cell line as a validation tool for adoptive cell therapy (exemplified here by CD19 CAR T cells). This method is coupled with an advanced live imaging system that can follow spheroid growth, effector cells cytotoxicity and tumor cell apoptosis.

This protocol is designed to assess immunotherapeutic redirected T-cell (CAR T-cell) cytotoxicity against 3D structured cancerous cells (spheroids) in real time.

Um ensaio de matança Spheroid por pilhas de T do carro

Immunotherapy has become a field of growing interest in the fight against cancer otherwise untreatable. Among all immunotherapeutic methods, chimeric ...

Production of Large Numbers of Size-controlled Tumor Spheroids Using Microwell Plates

Tumor spheroids are increasingly recognized as an important in vitro model for the behavior of tumor cells in three dimensions. More physiologically relevant than conventional adherent-sheet cultures, they more accurately recapitulate the complexity and interactions present in real tumors. In order to harness this model to better assess tumor biology, or the efficacy of novel therapeutic agents, it is necessary to be able to generate spheroids reproducibly, in a controlled manner and in significant numbers.
The AggreWell system consists of a high-density array of pyramid-shaped microwells, into which a suspension of single cells is centrifuged. The numbers of cells clustering at the bottom of each microwell, and the number and ratio of distinct cell types involved depend only on the properties of the suspension introduced by the experimenter. Thus, we are able to generate tumor spheroids of arbitrary size and composition without needing to modify the underlying platform technology. The hundreds of microwells per square centimeter of culture surface area in turn ensure that extremely high production levels may be attained via a straightforward, nonlabor-intensive process. We therefore expect that this protocol will be broadly useful to researchers in the tumor spheroid field.

We introduce a protocol for the generation of large numbers (thousands to hundreds of thousands) of uniform size- and composition-controlled tumor spheroids, using commercially available microwell plates.

Produção de grande número de controladas pelo tamanho Spheroids tumorais usando placas de micropoços

Tumor spheroids are increasingly recognized as an important in vitro model for the behavior of tumor cells in three dimensions. More physiologically ...

Bioengenharia

Physiologic Patient Derived 3D Spheroids for Anti-neoplastic Drug Screening to Target Cancer Stem Cells

In this protocol, we outline the procedure for generation of tumor spheroids within 384-well hanging droplets to allow for high-throughput screening of anti-cancer therapeutics in a physiologically representative microenvironment. We outline the formation of patient derived cancer stem cell spheroids, as well as, the manipulation of these spheroids for thorough analysis following drug treatment. Specifically, we describe collection of spheroid morphology, proliferation, viability, drug toxicity, cell phenotype and cell localization data. This protocol focuses heavily on analysis techniques that are easily implemented using the 384-well hanging drop platform, making it ideal for high throughput drug screening. While we emphasize the importance of this model in ovarian cancer studies and cancer stem cell research, the 384-well platform is amenable to research of other cancer types and disease models, extending the utility of the platform to many fields. By improving the speed of personalized drug screening and the quality of screening results through easily implemented physiologically representative 3D cultures, this platform is predicted to aid in the development of new therapeutics and patient-specific treatment strategies, and thus have wide-reaching clinical impact.

This protocol describes generation of patient-derived spheroids, and downstream analysis including quantification of proliferation, cytotoxicity testing, flow cytometry, immunofluorescence staining and confocal imaging, in order to assess drug candidates&#8217; potential as anti-neoplastic therapeutics. This protocol supports precision medicine with identification of specific drugs for each patient and stage of disease.

Spheroids 3D derivados do paciente fisiológico para a seleção antineoplástica da droga para alvejar pilhas de haste do cancro

In this protocol, we outline the procedure for generation of tumor spheroids within 384-well hanging droplets to allow for high-throughput screening of ...

Establishing 3-Dimensional Spheroids from Patient-Derived Tumor Samples and Evaluating their Sensitivity to Drugs

Despite remarkable advances in understanding tumor biology, the vast majority of oncology drug candidates entering clinical trials fail, often due to a lack of clinical efficacy. This high failure rate illuminates the inability of the current preclinical models to predict clinical efficacy, mainly due to their inadequacy in reflecting tumor heterogeneity and the tumor microenvironment. These limitations can be addressed with 3-dimensional (3D) culture models (spheroids) established from human tumor samples derived from individual patients. These 3D cultures represent real-world biology better than established cell lines that do not reflect tumor heterogeneity. Furthermore, 3D cultures are better than 2-dimensional (2D) culture models (monolayer structures) since they replicate elements of the tumor environment, such as hypoxia, necrosis, and cell adhesion, and preserve the natural cell shape and growth. In the present study, a method was developed for preparing primary cultures of cancer cells from individual patients that are 3D and grow in multicellular spheroids. The cells can be derived directly from patient tumors or patient-derived xenografts. The method is widely applicable to solid tumors (e.g., colon, breast, and lung) and is also cost-effective, as it can be performed in its entirety in a typical cancer research/cell biology lab without relying on specialized equipment. Herein, a protocol is presented for generating 3D tumor culture models (multicellular spheroids) from primary cancer cells and evaluating their sensitivity to drugs using two complementary approaches: a cell-viability assay (MTT) and microscopic examinations. These multicellular spheroids can be used to assess potential drug candidates, identify potential biomarkers or therapeutic targets, and investigate the mechanisms of response and resistance.

The present protocol describes generating 3D tumor culture models from primary cancer cells and evaluating their sensitivity to drugs using cell-viability assays and microscopic examinations.

Estabelecendo esferoides tridimensionais de amostras tumorais derivadas de pacientes e avaliando sua sensibilidade a drogas

Despite remarkable advances in understanding tumor biology, the vast majority of oncology drug candidates entering clinical trials fail, often due to a ...

Generation of 3D Tumor Spheroids for Drug Evaluation Studies

In recent decades, in addition to monolayer-cultured cells, three-dimensional tumor spheroids have been developed as a potentially powerful tool for the evaluation of anticancer drugs. However, the conventional culture methods lack the ability to manipulate the tumor spheroids in a homogeneous manner at the three-dimensional level. To address this limitation, in this paper, we present a convenient and effective method of constructing average-sized tumor spheroids. Additionally, we describe a method of image-based analysis using artificial intelligence-based analysis software that can scan the whole plate and obtain data on three-dimensional spheroids. Several parameters were studied. By using a standard method of tumor spheroid construction and a high-throughput imaging and analysis system, the effectiveness and accuracy of drug tests performed on three-dimensional spheroids can be dramatically increased.

This article demonstrates a standardized method for constructing three-dimensional tumor spheroids. A strategy for spheroid observation and image-based deep-learning analysis using an automated imaging system is also described.

Geração de esferoides tumorais 3D para estudos de avaliação de fármacos

In recent decades, in addition to monolayer-cultured cells, three-dimensional tumor spheroids have been developed as a potentially powerful tool for the ...

Semi-Automated Phenotypic Analysis of Functional 3D Spheroid Cell Cultures

We present a protocol that describes the properties and advantages of using a standalone clinostat incubator for growing, treating, and monitoring 3D cell cultures. The clinostat mimics an environment where cells can assemble as highly reproducible spheroids with low shear forces and active nutrient diffusion. We demonstrate that both cancer and non-cancer hepatocytes (HepG2/C3A and THLE-3 cell lines) require 3 weeks of growth prior to achieving functionalities comparable to liver cells. This protocol highlights the convenience of utilizing incubators for 3D cells with cameras monitoring the cell growth, as snapshots can be taken to count and measure spheroids upon treatment. We describe the comparison of THLE-3 and HepG2/C3A cell lines, showing how non-cancerous cell lines can be grown as well as immortalized cancer cells. We demonstrate and illustrate how proteomics experiments can be conducted from a few spheroids, which can be collected without perturbing cell signaling, i.e., no trypsinization required. We show that proteomics analysis can be used to monitor the typical liver phenotype of respiratory chain metabolism and the production of proteins involved in metal detoxification and describe a semi-automated system to count and measure the spheroid's area. Altogether, the protocol presents a toolbox that comprises a phenotypic characterization via image capture and a proteomics pipeline to experiment on 3D cell culture models.

We present a protocol for growing high-reproducible spheroids and their phenotypic characterization using image capture and proteomics.

Análise Fenotípica Semi-Automatizada de Culturas Funcionais de Células Esferoides 3D

We present a protocol that describes the properties and advantages of using a standalone clinostat incubator for growing, treating, and monitoring 3D cell ...

Bioquímica

Formação de esferoides multicelulares para análise metabólica e de hipóxia baseada em FLIM

Production and Multi-Parameter Live Cell Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) of Multicellular Spheroids

Multicellular tumor spheroids are a popular 3D tissue microaggregate&#160;model for reproducing tumor microenvironment, testing and optimizing drug therapies&#160;and using bio- and nanosensors in a 3D context. Their ease of production, predictable size, growth, and observed nutrient and metabolite gradients are important to recapitulate the 3D niche-like&#160;cell microenvironment. However, spheroid heterogeneity and variability of their production methods can influence overall cell metabolism, viability, and drug response. This makes it difficult to choose the most appropriate&#160;methodology, considering the requirements in size, variability, needs of biofabrication, and use as in vitro 3D tissue models in stem and cancer cell biology. In particular, spheroid production can influence their compatibility with quantitative live microscopies, such as optical metabolic imaging, fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM), monitoring of spheroid&#160;hypoxia with nanosensors, or viability. Here, a number of conventional spheroid formation protocols are presented, highlighting their compatibility with the live widefield, confocal, and two-photon microscopies. The follow-up imaging to analysis&#160;pipeline with multiplexed autofluorescence FLIM and, using various types of cancer and stem cell spheroids, is also presented.

Autor em destaque: Padronizando métodos de formação de esferóides para análise metabólica e de oxigenação usando microscopia de imagem de fluorescência

Here, we describe different multicellular spheroid formation methods to perform follow-up multi-parameter live cell microscopy. Using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM), cellular autofluorescence, staining dyes, and nanoparticles, the approach for analysis of cell metabolism, hypoxia, and cell death in live three-dimensional (3D) cancer and stem cell-derived spheroids is demonstrated.

Produção e Microscopia de Imagem de Tempo de Vida de Fluorescência de Células Vivas Multiparâmetros (FLIM) de Esferoides Multicelulares

Multicellular tumor spheroids are a popular 3D tissue microaggregate&#160;model for reproducing tumor microenvironment, testing and optimizing drug ...

Produção Robotic da Cancer Cell Spheroids com um sistema aquoso bifásico para Drug Testing

Resumo

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Geração de esferoides Tumor tridimensional de alta produtividade para triagem de drogas

Análise de invasão de células de câncer e usando a matriz de hidrogel Microcâmara (HMCA) de despistagem de drogas antimetastática-baseado placas

Um ensaio de matança Spheroid por pilhas de T do carro

Produção de grande número de controladas pelo tamanho Spheroids tumorais usando placas de micropoços

Spheroids 3D derivados do paciente fisiológico para a seleção antineoplástica da droga para alvejar pilhas de haste do cancro

Estabelecendo esferoides tridimensionais de amostras tumorais derivadas de pacientes e avaliando sua sensibilidade a drogas

Geração de esferoides tumorais 3D para estudos de avaliação de fármacos

Análise Fenotípica Semi-Automatizada de Culturas Funcionais de Células Esferoides 3D

Produção e Microscopia de Imagem de Tempo de Vida de Fluorescência de Células Vivas Multiparâmetros (FLIM) de Esferoides Multicelulares

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