Method Article
Здесь мы описываем неинвазивный метод мониторинга, включающий экспрессию люциферазы и зеленого флуоресцентного белка в различных клеточных линиях рака молочной железы. Этот протокол обеспечивает технику мониторинга образования опухоли и метастатической колонизации в режиме реального времени у мышей.
Рак молочной железы является частым гетерогенным злокачественным новообразованием и второй по значимости причиной смертности у женщин, в основном из-за отдаленных метастазов в органы. Было создано несколько моделей на животных, в том числе широко используемые ортотопические мышиные модели, где раковые клетки вводятся в жировую прокладку молочной железы. Однако эти модели не могут помочь контролировать кинетику роста опухоли и метастатическую колонизацию. Передовые инструменты для мониторинга раковых клеток в режиме реального времени у мышей значительно улучшат понимание биологии опухоли.
Здесь были установлены клеточные линии рака молочной железы, стабильно экспрессирующие люциферазу и зеленый флуоресцентный белок (GFP). В частности, этот метод содержит два последовательных шага, инициированных измерением активности люциферазы in vitro и сопровождаемых имплантацией раковых клеток в подушечки молочного жира мышей с комбинированным иммунодефицитом (NOD-SCID). После инъекции как рост опухоли, так и метастатическая колонизация контролируются в режиме реального времени неинвазивной системой визуализации биолюминесценции. Затем количественная оценка GFP-экспрессирующих метастазов в легких будет исследована флуоресцентной микроскопией для подтверждения наблюдаемых результатов биолюминесценции. Эта сложная система, сочетающая в себе люциферазу и инструменты обнаружения на основе флуоресценции, оценивает метастазирование рака in vivo, что имеет большой потенциал для использования в терапии рака молочной железы и лечении заболеваний.
Рак молочной железы является частым типом рака во всем мире, причем в Соединенных Штатах ежегодно диагностируется около 250 000 новых случаев1. Несмотря на высокую заболеваемость, новый набор противоопухолевых препаратов значительно улучшил исходы лечения рака молочной железы2. Тем не менее, эти методы лечения по-прежнему неадекватны, так как многие пациенты испытывают рецидив заболевания и метастатическое распространение на жизненно важные органы2, что является основной причиной заболеваемости и смертности пациентов. Поэтому одной из основных задач в исследованиях рака молочной железы является выявление молекулярных механизмов, регулирующих образование дистальных метастазов, для разработки новых средств для ингибирования их развития.
Метастазирование рака – это динамический процесс, при котором клетки отделяются от первичной опухоли и вторгаются в соседние ткани через кровообращение. Таким образом, животные модели, в которых клетки подвергаются подобному метастатическому каскаду, могут облегчить идентификацию механизмов, управляющих этим процессом 3,4. Кроме того, эти модели in vivo необходимы для разработки терапевтических агентов рака молочной железы 5,6. Однако эти ортотопические модели не могут указывать фактическую кинетику роста опухоли, поскольку эффект определяется только после прекращения. Поэтому мы создали инструмент на основе люциферазы для обнаружения развития опухоли и метастатической колонизации в режиме реального времени. Кроме того, эти клетки экспрессируют GFP для обнаружения метастатических колоний. Этот подход относительно прост и не предполагает каких-либо инвазивных процедур3. Таким образом, сочетание люциферазы и обнаружения флуоресценции является полезной стратегией для продвижения доклинических исследований терапии рака молочной железы и лечения заболеваний.
Все эксперименты на мышах проводились в соответствии с протоколом MD-21-16429-5, одобренным Комитетом по уходу и использованию животных Еврейского университета. Кроме того, Еврейский университет сертифицирован Ассоциацией по оценке и аккредитации по уходу за лабораторными животными (AAALAC).
1. Обслуживание клеточной линии
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе использовались клеточные линии рака молочной железы человека (MCF-7, MDA-MB-468 и MDA-MB-231).
2. Подготовка к вирусам
3. Создание клеток, стабильно экспрессирующих GFP и люциферазу («GFP + Luc+ клетки»)
4. Подтверждение активности люциферазы in vitro
5. Инъекция мышам клеток GFP+ Luc+
6. Измерение уровня люциферазы у мышей GFP+ Luc+
7. Получение изображения ex vivo с использованием биолюминесценции и флуоресценции
8. Анализ данных биолюминесценции
9. Измерение общего потока
Мы сгенерировали клеточные линии рака молочной железы (MDA-MB-231, MCF-7 и MDA-MB-468), экспрессирующие векторы GFP и люциферазы. В частности, это было достигнуто путем последовательной инфекции. Во-первых, клеточные линии рака молочной железы были инфицированы лентивирусным вектором, экспрессирующим флуоресцентный GFP. GFP-положительные клетки (GFP+) были отсортированы через 2 дня после заражения (рисунок 1A,B) и инфицированы вектором pLX304 Люциферазы-V5. Затем бластицидин использовали для отбора люциферазы для генерации указанных (GFP+, Luc+) клеток. Чтобы подтвердить активность люциферазы in vitro, мы продемонстрировали зависящее от количества клеток увеличение уровней активности люциферазы (рисунок 1C). Кроме того, была обнаружена линейная корреляция между активностью люциферазы и номером клетки (рисунок 1D).
Чтобы подтвердить обнаружение люциферазы у мышей, все три клеточные линии рака молочной железы GFP+, Luc+ были введены в жировую прокладку молочной железы самок мышей NOD / SCID. Затем мышей подвергали показаниям биолюминесценции каждые две недели, чтобы определить кинетику роста опухоли. Мы обнаружили, что кинетика роста опухоли варьируется между клеточными линиями; он быстрее в более агрессивных MDA-MB-231 и медленнее в менее агрессивных клеточных линиях MCF-7 и MDA-MB-468 (рисунок 2).
Далее были получены показания флуоресценции изолированных опухолей, генерируемых клеточной линией MDA-MB-231. В частности, через 6 недель после инъекции опухоли были собраны у мышей, чтобы подтвердить флуоресценцию GFP; было обнаружено, что опухоли сохраняют экспрессию GFP (рисунок 3A). Следующая цель состояла в том, чтобы определить, можно ли оценить метастатическое образование колоний в реальном времени в легких живой мыши с помощью биолюминесцентной машины; положительные показания биолюминесценции были получены из легкого всей мыши (рисунок 3B). Чтобы убедиться, что это были положительные метастатические колонии, было собрано легкое, и метастатические колонии наблюдались для GFP и биолюминесценции (рисунок 3C).
Рисунок 1: Валидация экспрессии GFP и активности люциферазы в клетках. (A) Клетки GFP были отсортированы по FACS. Репрезентативные изображения Ячеек MDA-MB-231, не относящихся к GFP и GFP+ . (B) Клетки MDA-MB-231, MCF-7 и MDA-MB-468 были инфицированы вирусом, экспрессирующим GFP, с последующей сортировкой FACS. Изображение каждой клеточной линии представлено в brightfield (слева) и GFP (справа). Клетки были захвачены под микроскопом Nikon Eclipse 80i с 10-кратным увеличением. Шкала баров = 100 мкм. (C) Биолюминесценция, обусловленная активностью люциферазы в каждой клетке, определялась люминометром. Все большее число клеток (как в А) были засеяны в черную 96-луночную пластину. Цветовая шкала представляет интенсивность люминесценции. (D) График XY, демонстрирующий активность люциферазы клеток MDA-MB-231 (измеренная в C). Сокращения: GFP = зеленый флуоресцентный белок; SSC-A = площадь бокового рассеянного пика; GFP+ = GFP-положительный; FACS = флуоресцентно-активированная сортировка клеток. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Кинетика роста опухоли определялась с помощью биолюминесцентной машины. Кинетику роста опухоли in vivo определяли еженедельно у мышей NOD-SCID, а репрезентативные изображения были получены с использованием биолюминесценции для (A) MDA-MB-231, (B) MCF-7, (C) MDA-MB-468. Цветовая шкала представляет интенсивность люминесценции. D) Количественная оценка люминесцентной активности представлена в виде общего потока. (E) мыши MDA-MB-231; индивидуальное чтение представлено в виде сюжета. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Различные подходы к проверке образования опухоли и метастазирования в легкие. (A) Мыши были перфузированы, и опухоли, полученные из клеток MDA-MB-231, были собраны. Уровни GFP в опухолях измерялись с помощью биолюминесцентной машины. (B) Метастазирование в легкие у целых мышей, о чем свидетельствует биолюминесценция. (C) Для подтверждения наличия метастазов легкие собирали и наблюдали под стереомикроскопом SMZ18 Nikon (brightfield и GFP). Биолюминесцентные образцы Luc были взяты сразу после эвтаназии мышей. Цветовая шкала представляет интенсивность люминесценции. Сокращения: GFP = зеленый флуоресцентный белок; Люк = люцифераза; BLI = биолюминесцентная визуализация. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Эксперименты на животных являются обязательными для исследования рака 7,8,9, и действительно было разработано много протоколов 3,6,10,11,12,13,14. Однако большинство из этих исследований определяли биологический эффект только в конце экспериментов, и, таким образом, влияние на кинетику роста опухоли или колонизацию метастазов остается неопределенным. Здесь мы предлагаем неинвазивный подход двойной биолюминесценции путем инокуляции клеток, экспрессирующих GFP и люциферазу, в жировую прокладку молочной железы. С помощью этого мощного инструмента развитие опухоли и метастазирование можно контролировать у мышей в режиме реального времени14. Тем не менее, этот метод содержит несколько критических шагов, которые требуют дополнительной осторожности. Например, одним из важнейших шагов для успеха этого эксперимента является проверка эффективности инфекции путем мониторинга уровней экспрессии люциферазы и GFP в клетках перед инъекцией мыши. Таким образом, дозы бластицидина15 и протокол16 лентивирусной продукции должны быть оптимизированы для каждой клеточной линии для повышения экспериментальной эффективности.
Некоторые технические проблемы могут повлиять на сигнал биолюминесценции в эксперименте in vivo . Эти проблемы включают движение мыши во время считывания биолюминесценции, что может повлиять на качество изображения и, таким образом, повлиять на кинетические кривые опухоли. Таким образом, животные должны быть полностью обезболены после инъекции субстрата и в течение всей процедуры. Кроме того, одновременное размещение нескольких животных в машине может привести к несогласованности показаний люминесценции, поскольку мыши с высоким сигналом могут маскировать животных меньшей интенсивности. Поэтому показания люминесценции должны измеряться индивидуально для каждой мыши.
При проведении показаний биолюминесценции in vitro жизненно важно заменить культуральную среду PBS, так как среда содержит сыворотку и другие добавки, которые могут мешать сигналу. Кроме того, необходимо устранить фоновое считывание путем измерения сигнала люминесценции образца, который содержит только PBS (без клеток).
Этот протокол описывает неинвазивный метод измерения роста клеток рака молочной железы и метастазов. В частности, в этой статье описывается инъекция клеточных линий рака молочной железы, экспрессирующих как GFP, так и люциферазу в жировую прокладку молочной железы мыши. Эта комбинация обеспечивает быстрый и надежный метод измерения метастатической колонизации in vivo и ex vivo.
Несмотря на явные преимущества этого метода, он имеет некоторые ограничения. Основным ограничением является необходимость в биолюминесцентной машине, поскольку это относительно дорогая машина и, следовательно, не всегда доступна. Кроме того, каждое чтение отнимает много времени, и, таким образом, машина может быть перегружена и недоступна. Другое ограничение относится к самому протоколу. Для обнаружения сигнала биолюминесценции в образцах ex vivo рекомендуется усыпить мышей и немедленно изучить образец. Этот шаг является ограниченным по времени этапом и неосуществим для большого набора экспериментов.
В заключение, этот неинвазивный инструмент биолюминесценции очень чувствителен к обнаружению развития опухоли и метастазирования у мышей. Этот протокол не ограничивается раком молочной железы и может применяться к другим карциномам, таким как рак легких и поджелудочной железы. Кроме того, поскольку он неинвазивный, его можно применять для измерения эффективности противоопухолевых препаратов12 и их влияния на кинетику роста опухоли в режиме реального времени.
Все авторы раскрыли, что у них нет никаких конфликтов интересов.
Благодарим сотрудников лаборатории Y.D.S. Мы хотели бы поблагодарить Институт трансляционной медицины Воля в Медицинском центре Хадасса, Иерусалим, за предоставление центра визуализации мелких животных. Это исследование было поддержано премией Research Career Development Award от Израильского фонда исследований рака.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.7 mL eppendorf tubes | Lifegene | LMCT1.7B-500 | |
10 µL tips | Lifegene | LRT10 | |
1000 µL tips | Lifegene | LRT1000 | |
15 mL tubes | Lifegene | LTB15-500 | |
200 µL tips | Lifegene | LRT200 | |
6 well cell culture plate | COSTAR | 3516 | |
96 well Plates BLACK flat bottom | Bar Naor | BN30496 | |
Automated Cell Counters | Thermofisher | A50298 | |
BD FACSAria III sorter | BD | ||
BD Microlance 3 Needles 27 G (3/4'') | BD | 302200 | |
BD Plastipak Syringes 1 mL x 120 | BD | 303172 | |
Corning 100 mm x 20 mm Style Dish | CORNING | 430167 | |
Corning 150 mm x 20 mm Style Dish | CORNING | 430599 | |
Countess cell counting chamber slides | Thermofisher | C10228 | |
Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM), high glucose, no glutamine | Biological Industries | 01-055-1A | |
Eclipse 80i microscope | Nikon | ||
eppendorf Centrifuge 5810 R | Sigma Aldrich | EP5820740000 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Biological Industries | 04-127-1A | |
FUW GFP | Gifted from Dr. Yossi Buganim's lab (Hebrew University of Jerusalem) | ||
HEK293T | Gifted from Dr. Lior Nissim's lab (Hebrew University of Jerusalem) | ||
Isoflurane, USP Terrell | Piramal | NDC 66794-01-25 | |
IVIS Spectrum In Vivo Imaging System | Perkin Elmer | 124262 | |
L-Glutamine Solution | Biological industries | 03-020-1A | |
Living Image Software | PerkinElmer | bioluminescence measurement | |
MCF-7 | ATCC | ATCC HTB-22 | |
MDA-MB-231 | ATCC | ATCC HTB-26 | |
MDA-MB-468 | ATCC | ATCC HTB-132 | |
Pasteur pipettes | NORMAX | 2430-475 | |
PBS | Hylabs | BP655/500D | |
pCMV-dR8.2-dvpr | Addgene | #8455 | Provided by David M. Sabatini’s lab (Whitehead institute, Boston, USA) |
pCMV-VSV-G | Addgene | #8454 | Provided by David M. Sabatini’s lab (Whitehead institute, Boston, USA) |
Penicillin-Streptomycin Solution | Biological Industries | 03-031-1B | |
Petri dish 90 mm (90x15) | MINI PLAST | 820-090-01-017 | |
Pipettes 10ml | Lifegene | LG-GSP010010S | |
Pipettes 25ml | Lifegene | LG-GSP010050S | |
Pipettes 5ml | Lifegene | LG-GSP010005S | |
pLX304 Luciferase-V5 blast plasmid | Addgene | #98580 | |
Polybrene | Sigma Aldrich | #107689 | |
Prism 9 | GraphPad | ||
Reagent Reservoirs | Bar Naor | BN20621STR200TC | |
SMZ18 Stereo microscopes | Nikon | ||
Sodium Chloride | Bio-Lab | 190359400 | |
Syringe filters | Lifegene | LG-FPV403030S | |
Trypan Blue 0.5% solution | Biological industries | 03-102-1B | |
Trypsin EDTA Solution B (0.25%), EDTA (0.05%) | Biological Industries | 03-052-1a | |
Vacuum driven Filters | SOFRA LIFE SCIENCE | SPE-22-500 | |
Virusolve | disinfectant | ||
VivoGlo Luciferin, In Vivo Grade | Promega | P1043 | |
X-tremeGENE HP DNA Transfection Reagent | Sigma Aldrich | #6366236001 |
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