Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Здесь мы представляем протокол для подготовки и культивирования метастатического геммозефалического барьера микро-среды опухоли, а затем количественно его состояние с использованием конфокальных изображений и искусственного интеллекта (машинное обучение).
Метастазы мозга являются наиболее смертоносными поражениями рака; 10-30% всех раковых метастазов в мозг, со средним выживанием всего 5-20 месяцев, в зависимости от типа рака. Чтобы уменьшить бремя метастатических опухолей мозга, необходимо решить пробелы в базовых и переводческих знаниях. Основные проблемы включают нехватку воспроизводимых доклинических моделей и связанных с ними инструментов. Трехмерные модели метастазирования мозга могут дать соответствующие молекулярные и фенотипические данные, используемые для удовлетворения этих потребностей в сочетании с специализированными инструментами анализа. Кроме того, по сравнению с моделями мурина, орган-на-чип модели опухолевых клеток пациента, проходящих геммоэнцефалический барьер в микроокноронику мозга генерировать результаты быстро и более интерпретируются с количественными методами, таким образом, под силу высокой пропускной способности тестирования. Здесь мы описываем и демонстрируем использование новой 3D микрофлюидной ниши мозга крови (МКББН), где несколько элементов ниши можно культурировал в течение длительного периода (несколько дней), флуоресцентно изображены конфокальные микроскопии, и изображения реконструированы с использованием инновационной конфокальные томографии техники; все они направлены на то, чтобы понять развитие микро-метастазов и изменений в микро-среде опухоли (TME) в повторяемой и количественной манере. Мы демонстрируем, как изготовить, семена, изображения, и анализировать раковые клетки и TME клеточных и гуморальных компонентов, используя эту платформу. Кроме того, мы показываем, как искусственный интеллект (ИИ) используется для выявления внутренних фенотипических различий раковых клеток, способных проходить через модель мБН, и присваивать им объективный индекс метастатического потенциала мозга. Наборы данных, генерируемые этим методом, могут быть использованы для ответа на основные и трансляционные вопросы о метастазах, эффективности терапевтических стратегий и роли TME в обоих.
Метастазы мозга являются наиболее смертоносными поражениями рака; 10-30% всех раковых метастазов в мозг, со средним выживанием только 5-20 месяцев, в зависимости оттипа рака 1,2. Основной вопрос, который возникает при изучении метастазов рака, как суб клоны мигрируют из гуморальной среды кровотока в орган,такой как мозг 3,,4. Этот вопрос привел к многим вариациям миграции, вторжения и экстравазии анализов. Все эти методы разделяют критический шаг подсчета или измерения свойств клеток, которые перемещаются из одного места в другое в ответ на стимул. Большинство миграционных анализов легко доступны используются для изучения двумерной (2D) миграции раковых клеток. Они прояснены богатство знаний; однако, они не резюмируют трехмерный характер системы in vivo, что другие методы могут обеспечить5. Поэтому необходимо изучать микросреду опухоли (ТМЭ) в трехмерных (3D) системах, но подходы к анализу, доступные для 3D-структур, ограничены и зачастую несовместимы.
Одним из самых популярных 3D-инструментов является камера Boyden, которая состоит из мембраны, подвешенной в нижней части колодеца, разделяющей два отдельных региона. Бойден ввел анализ для изучения лейкоцитов хемотаксис4. Нижние регионы могут быть разнообразны по химии или другимсредствам 6,,7, чтобы побудить клетки в верхнем регионе мигрировать в нижнюю область. Наиболее распространенным подходом к количественной оценке количества клеток, которые мигрировали является освобождение клеток из нижней части мембраны с помощью буферного раствора, подставить их, а затем подсчитать их на основе количества содержания ДНК врастворе 7. Этот косвенный подход подвержен ошибке оператора из-за изменчивости техники и процедура уничтожает информацию о фенотипе рака и микро-среде. Вариации анализа камеры Бойдена включают фиксацию мигрирующих клеток, которые остаются на мембране, но только обеспечивает количество клеток, которые больше не являются жизнеспособными длядальнейшего изучения 6,,8,,9.
Из-за ограничений камеры Бойдена и роста инноваций в микрофлюидном сообществе, были разработаны чипы миграционного анализа, которые наблюдают движение клеток в ответ на стимул в одном направлении, а нетри 10,,11,12. Эти миграционные анализы облегчают контроль над такими факторами, как поток или разделениеодной ячейки 13,14, которые позволяют лучше работать над результатами;, однако их 2D-формат неизбежно теряет некоторую динамическую информацию. Недавние исследования были сосредоточены на экстравазии (т.е. движение клеток из циркуляции в ткани, такие как гемовоградный барьер) в 3Dсреде 14,15. Экстравазия расстояние в ткани и зондирования поведение, которое происходит на клеточном барьере / мембраны более изысканным, чем измерения почерпнутые с помощью либо камеры Бойден или 2D микрофлюидных миграцииустройства 16. Таким образом, устройства, позволяющие осуществлять соответствующую визуализацию и анализ 3D-экстравазии, имеют решающее значение для фиксации этих сложных измерений, но отсутствуют в литературе.
Независимо от миграционных анализов, были разработаны надежные методы визуализации для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и томографии, которые способны идентифицировать и точно реконструировать ткани в 3Dпространстве 17,,18. Эти методы приобретают изображения в z-стеках и сегментных части изображения на основе свойств ткани, а затем преобразуют сегментированные изображения втрехмерные сетки 19,,20,,21. Это позволяет врачам визуализировать в 3D отдельных органов, костей и сосудов, чтобы помочь в хирургическом планировании или помощи в диагностикерака или сердечных заболеваний 22,23. Здесь мы покажем, что эти подходы могут быть адаптированы для использования на микроскопических образцах и 3D-устройствах экстравасации.
С этой целью мы разработали инновационный метод конфокальные томографии, представленный в настоящем, который обеспечивает гибкость для изучения экстравазации опухолевых клеток через мембрану путем адаптации существующих томографических инструментов. Этот подход позволяет изучить всю гамму поведения раковых клеток, как они взаимодействуют с клеточным барьером, таких как эндотелиальный слой клеток. Раковые клетки обладают зондирующим поведением; некоторые из них могут вторгнуться, но остаются близко к мембране, в то время как другие пересекают барьер легко. Этот метод способен дать информацию о фенотипе клетки во всех измерениях24. Использование этого подхода для изучения TME является относительно недорогим, простым в интерпретации и воспроизводимым, по сравнению с более сложными моделями in vivo murine. Представленная методология должна обеспечить сильную основу для изучения многих типов опухолей и микро-сред путем адаптации стромальной области.
Мы описываем и демонстрируем использование 3D микрофлюидной ниши мозга крови (мББН) платформы(рисунок 1),где критические элементы барьера и ниши (микрососудистые эндотелиальные клетки мозга и астроциты) могут быть отучены в течение длительногопериода (примерно до 9 дней), флуоресцентно изображены с помощьюконфокальной микроскопии, а изображения реконструированы с использованием нашей конфокалиограммы . все направлено на понимание развития микро-метастазов и изменений в микро-среде опухоли в повторяемой и количественной манере. Интерфейс гемового барьера с нишей мозга состоит из микрососудистых эндотелиальных клеток мозга, которые укрепляются мембраной подвала, астроцитными ногами иперицитами 25. Мы избирательно сосредоточились на астроцитах и эндотелиальных компонентах, учитывая их важность в формировании и регуляции геммоградно-мозгового барьера. Мы демонстрируем, как изготовить, семена, изображения, и анализировать раковые клетки и опухолевые микро-среды клеточных и гуморальных компонентов, используя эту платформу. Наконец, мы показываем, как машинное обучение может быть использовано для выявления внутренних фенотипических различий раковых клеток, которые способны проходить через модель мББН и присвоить им объективный индекс метастатическогопотенциала мозга 24. Наборы данных, генерируемые этим методом, могут быть использованы для ответа на основные и трансляционные вопросы о метастазах, терапевтических стратегиях и роли TME в обоих.
1. Подготовка гемового барьера нишу плесени
ПРИМЕЧАНИЕ: Культовое устройство, используемое в этой платформе является PDMS основе эшафот, что мы строим клеточной ниши гемового барьера на. Он состоит из двух частей, разделенных пористой мембраной. Для подготовки ниши гемового барьера необходимы две формы СУ-8, сделанныес использованием фотолитографии 26,,27. Протокол будет описан для формы толщиной 100 мкм, а затем заметки будут даны для 200 мкм толщиной формы.
2. Форма и сборка устройства геммового мозга PDMS (BBB)
3. Семя микро-среды мозга в устройство
4. Мониторинг прогрессирования образования эндотелиального слоя
5. Семенные раковые клетки в устройство
6. Изображение микро-среды опухоли с помощью конфокальных изображений
7. Измерение микро-среды опухоли с помощью конфокальные томографии
8. Проанализировать связанные характеристики с помощью искусственного интеллекта
ПРИМЕЧАНИЕ: Определить метастатические фенотипические функции с помощью алгоритмов искусственного интеллекта.
Используя этот метод, мы проанализировали типы клеток, помеченные различными флуоресцентными белками или красителями. Мы демонстрируем использование этого подхода с помощью чипа мББН, сформулированного с помощью hCMEC/D3-DsRed и нефлуоресцентных астроцитов. Микрососудистые эндотелиальны?...
Мы разработали и представили новый метод, который адаптирует инструменты, часто используемые в клинических анализах изображений для измерения экстравазии и миграции раковых клеток через эндотелиальный барьер в ткани мозга. Мы считаем, что такой подход может быть полезен как для измер...
Нет никаких раскрытий, чтобы объявить.
Мы благодарим лабораторию Steeg в Национальном институте рака за щедрое пожертвование клеток MDA-MB-231-BR-GFP. Конфокальцная микроскопия была проведена в Институте биоинтерфейсов Мичиганского университета (BI). Цитометрия потока была выполнена в Университете Мичигана поток цитометрии ядра. Вирусные векторы были созданы Университетом Мичигана Vector Core. Мы также благодарим Келли Кидвелл за руководство в статистическом анализе этих данных.
Финансирования:
C.R.O. была частично поддержана стипендией NIH T-32 Training Fellowship (T32CA009676) и 1R21CA245597-01. T.M.W. была частично поддержана 1R21CA245597-01 и Национальным центром продвижения переводческих наук Национальных институтов здравоохранения под номером UL1TR002240. Финансирование материалов и характеристики было предоставлено Национальным институтом рака Национальных институтов здравоохранения под номером 1R21CA245597-01, P30CA046592, 5T32CA009676-23, CA196018, AI116482, Фонд METAvivor, и Фонд исследований рака молочной железы. Содержание является исключительно ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точки зрения Национальных институтов здравоохранения
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.25% Trypsin-EDTA with phenol red | Thermo Fisher Scientific | 25200056 | |
1.5 mm biopsy punch with plunger | Integra LifeSciences Corporation | 33-31A-P/25 | |
10x MEM | Thermo Fisher Scientific | 11430030 | |
150 mm petri dishes | Fisher Scientific | FB0875714 | |
1x DPBS, without Ca and Mg | Thermo Fisher Scientific | 14190144 | |
200uL pipette tip | Fisher Scientific | 02-707-411 | |
4 inch silicon wafer | University Wafer | 452 | |
48 mm wide packing tape | Fisher Scientific | 19-072-097 | |
50 x 75 mm glass slide | Fisher Scientific | 12-550C | |
A1 confocal microscope | Nikon | ||
acetone | Fisher Scientific | A9-20 | |
antibiotic/antimycotic (penicillin/streptomycin/amphotericin) | Gibco | 15240062 | |
box cutter blade | Fisher Scientific | NC1721575 | |
dissection scissors | Fisher Scientific | 08-951-5 | |
DMEM with 4.5 g/L glucose | Thermo Fisher Scientific | 11960-044 | |
double sided tape | Fisher Scientific | NC0879005 | |
EGM-2 | Lonza | CC-3162 | |
Fetal Bovine Serum, Heat inactivated | Corning | MT35011CV | |
Fiji software | ImageJ | ||
glass vial | Fisher Scientific | 03-341-25D | |
glutamax | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | |
hCMEC/D3 | EMD Millipore | SCC066 | |
Jupyter notebook | Anaconda | ||
L-glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030081 | |
Matrigel - growth factor reduced with phenol red | Corning | CB-40230A | |
MDA-MB-231 | ATCC | HTB-26 | |
MDA-MB-231-BR-GFP | Dr. Patricia Steeg, NIH | ||
N-2 growth supplement | Thermo Fisher Scientific | 17502048 | |
normal human astrocytes (NHA) | Lonza | CC-2565 | |
Orange software | University of Ljubljana | ||
Pasteur pipette | Fisher Scientific | 13-711-9AM | |
Photolithography masks | Photosciences Incorporated | ||
pLL3.7-dsRed | University of Michigan Vector Core | ||
pLL-EV-GFP | University of Michigan Vector Core | ||
pLOX-TERT-iresTK | Addgene | 12245 | |
pMD2.G | Addgene | 12259 | |
polycarbonate membrane, 5um pore size | Millipore | TMTP04700 | |
psPAX2 | Addgene | 12260 | |
PureCol, 3 mg/mL | Advanced Biomatrix | 5005 | Type I bovine collagen |
sodium bicarbonate | Thermo Fisher Scientific | 25080094 | |
sodium pyruvate | Thermo Fisher Scientific | 11360070 | |
Solo cup | Fisher Scientific | NC1416545 | |
SU-8 2075 | MicroChem Corporation | Y111074 0500L1GL | |
SU8 developer | MicroChem Corporation | Y020100 4000L1PE | |
Sylgard 184 | Ellsworth Adhesive Company | NC0162601 | |
Toluene | Sigma-Aldrich | 179965-1L | |
Tricholoro perfluoro octyl silane | Sigma-Aldrich | 448931-10G |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены