Трехмерная Tissue Culture моделью для изучения первичного костного мозга человека и его злокачественных новообразований
Summary
В стандартных методов культивирования клетки берут из их физиологической среде и выращивают на пластиковой поверхности блюдо. Для изучения поведения первичных клеток костного мозга человека, мы создали систему культуры 3-D, где клетки выращиваются в условиях Резюмируя родной микросреду ткани.
Abstract
Культура ткани был бесценным инструментом для изучения многих аспектов функционирования клеток, от нормального развития болезни. Обычные способы культивирования клеток основаны на способности клеток либо присоединить к твердой субстрата тканевой культуральной чашке или расти в суспензии в жидкой среде. Несколько бессмертные линии клеток были созданы и выращенных с использованием таких подходов, однако, эти методы часто не когда первичные клетки должны быть выращены экс виво. Такой отказ был приписан отсутствии соответствующих внеклеточных матричных компонентов ткани микросреды от стандартных систем, в которых тканевой культуры пластик используется как поверхность для роста клеток. Внеклеточной матрицы является неотъемлемой составной частью тканей микросреды и его присутствие имеет решающее значение для поддержания физиологических функций, таких как поляризации клеток, выживание, и пролиферации. Здесь мы представляем тканей метод 3-мерное культуры, где чел первичного костного мозгаLs выращивают в внеклеточного матрикса сформулированной резюмировать на микроокружение человеческой кости (система УОР). Встроенный во внеклеточном матриксе, клетки снабжены питательных веществ через среде с добавлением человеческой плазмы, тем самым обеспечивая комплексную систему, где выживаемость клеток и пролиферацию можно поддерживать в течение до 30 дней при сохранении клеточного состава первичного ткани. Использование системы RBM мы успешно выращивают первичные клетки костного мозга от здоровых доноров и пациентов с амилоидозом, а также различные гемобластозами. Система RBM позволяет прямое, в-матрицы в реальном времени визуализации поведения клеток и оценки доклинических эффективность новой терапии. Кроме того, клетки могут быть выделены из RBM и впоследствии используется для трансплантации в живом организме, сортировки клеток, проточной цитометрии и нуклеиновой кислоты и анализа белка. Взятые вместе, метод УКР предоставляет надежную систему для роста первичного Marro костиW клетки в физиологических условиях.
Introduction
Культура ткани была разработана, чтобы изучить поведение клеток в контролируемой среде, чтобы минимизировать системную изменчивость при сравнении различных процессов в интактных организмов. Этот метод был впервые создан в начале 1900 1,2 и относится к технике, где тканевые эксплантаты культивируют экс естественных в стеклянной посуде. В середине 1900-х годов система была адаптирована расти несмежных ячеек, а не фрагментами здоровых тканей, а термины «тканевой культуры» и «клеточная культура" стало синонимом 3. В таких обычных системах клеточных культур клетки выращивают на поверхности тканевой культуры пластика с наложением ростовой среде, дополненной различными факторами роста. Два типа культур появились на основе адгезии мощности различных клеток: приверженцем культуры клеток, где клетки придают и распространения на пластике культуры ткани и прилипших культур, где клетки распространяются в виде суспензии. С первых дней клеткикультура, несколько бессмертные линии клеток были созданы, например, HeLa 4, первая линия клеток рака у человека. Эти клеточные линии имеют способности к пролиферации на неопределенный срок в культуре клеток, и большинство из них не требует никакого специального лечения для поддержания жизнеспособности.
Редукционистский подход из оригинальных методов культивирования клеток было разработано, чтобы упростить систему как можно больше, включив только голых компонентов минимальных, необходимых для поддержания жизнеспособности клеток и пролиферацию. Однако упрощенные подходы клеточных культур не поддержать Экс Vivo большинство основных типа клеток человека с конечной продолжительности жизни. Таким образом, новые системы культуры в настоящее время разрабатываются, чтобы приблизить ткани микросреду, насколько это возможно, таким образом позволяя сотовые экспланты расти в физиологических условиях. В отличие от обычных подходов / редукционистских клеточной культуры, 3-мерной (3-D) системы культуры в настоящее время становится предпочтительным способом для эффективного культура различныеклеточные линии человека и первичные клетки, чтобы впоследствии изучать механизмы, участвующие в здоровье и болезни, в контексте благоприятной микросреды. Такие 3-D системы обычно созданы с использованием восстановленных матриц и / или среде с добавлением факторов роста, для того, чтобы повторять тканевое микроокружение для изучения типов клеток, представляющих интерес. Первый из этих 3-мерной (3-D) моделей культуры была разработана для изучения развития молочных желез. Для обеспечения клеток с нативных условиях эпителиальные клетки молочной железы были встроены в Матригель, коллагена IV и ламинином богатых источника внеклеточного матрикса (ECM), и обложил ростовой среды. При таких условиях, эпителиальные клетки молочной железы сформированы кластеры, напоминающие молочную ацинусов, и после стимуляции лактогенных гормонов, эти ацинусов секретируется казеин и другие белки молока, в полую LUMENA из ацинусами-подобных структур. Секреции казеином, не наблюдалось в стандартных культур даже после того пролактина 5, Далее подчеркивая роль микроокружения в сохранении морфологические и фенотипические характеристики клеток. Это еще одно доказательство потери нормальной клеточной функции, когда клетки берутся из контекста их физиологического микросреды является демонстрация того, что без поддержки микросреды, кератиноциты не способны формировать слоистые эпидермис 6. Ряд других моделей 3-D были созданы, чтобы позволить Экс Vivo распространение первичных клеток 7,8.
Решающая роль микроокружения в поведении клеток был элегантно продемонстрировано в исследовании, где эпителиальные клетки молочной железы образуется "наизнанку" ацинусы при культивировании в коллагена я матрица, по сравнению с правильно поляризованного ацинусов, которые формировались в Матригель. Эта потеря правильной морфологии был возвращен когда ламинина-продуцирующие миоэпителиальные клеток добавляли к культурам коллаген I 9. Кроме того, правильно микросреда требуется для точнойгенотип проявление. Выращенный в чашке, раковые клетки молочной железы MCF7, трансфицированные CEACAM1 молекулы адгезии с клетка-клетка ведут себя точно так же, как и нетрансфицированных CEACAM негативных клетках. Тем не менее, при культивировании в Матригель, в контакте с ECM, образуют дикого типа опухолевых MCF7-подобных структур в то время как MCF7 клетки, трансфицированные CEACAM1 вернуться к нормальному фенотипу и формы ацинусов с полым LUMENA, как было установлено с доброкачественной эпителия молочной железы 10. Точно так же, блокируя β1-интегрина в клетках рака молочной железы не изменить свое поведение в стандартных условиях культивирования, но тот же самый эксперимент выполняется в 3-D культур показывает, что блокирование β1-интегрина возвращается злокачественные клетки к нормальному фенотипу 11. Таким образом, ткань микроокружение не требуется только для поддержания жизнеспособности клеток, но и сохранить правильное функционирование клеток.
В дополнение к предоставлению систему, в которой поведение клеток можно изучать под физиологического состоянияс, 3-D культур функционировать как прочная и надежная среда для доклинических испытаний новых терапии 8,12,13. Культивирование клеток в 3-D позволяет скрининг исследуемых соединений в условиях окружающей среды опосредованного лекарственной устойчивости 14, где вклад клетка-клетка и клетка-ЕСМ адгезии могли быть оценены. Кроме того, проходит мимо токсичность новых соединений может быть установлено путем включения нескольких клеточных компартментах различных тканей. Такие экраны могут быть выполнены более быстро и более экономически эффективным, чем сравнимые исследований в естественных условиях 8.
Здесь мы представляем установку 3-D модели реконструированного костного мозга (УКР), где нормальных и злокачественных костного мозга (BM) клетки размножаться экс естественных в системе тесно подражая микросреды человеческого BM. Предыдущие попытки растет первичные BM-клеток человека в 2-D культур, жидкости или адгезивных совместных культурах с различными компонентами БМ стромы, Или 3-D, полутвердые агар культуры имели ограниченный успех из-за их неспособности поставлять клетки с компонентами ткани микросреды 15-18. В этих системах первичные элементы BM было плохое жизнеспособность и не размножаются экс естественных. Другая система, где клетки-предшественники BM человека выращивают в сфероида совместных культурах с BM стромальных клеток находится в 3-D система, где был поддержан жизнеспособность гемопоэтических стволовых клеток и пролиферации, по крайней мере 96 часов 19. Однако, несмотря на весьма полезным для понимания кроветворной биологии предшественников, эта система не верно воспроизводят на микроокружение BM из-за отсутствия компонентов ECM, поэтому, ограничивая его полезность. УКР модель, описанная здесь представляет собой целостную систему, где оба клеточные и внеклеточные отсеки человеческого BM реконструируются в пробирке. Мы покажем, что RBM культуры может поддерживать Экс Vivo рост нормальных клеток человека BM, как мыLL как клетки, выделенные от пациентов с различными гематологическими нарушениями.
Protocol
Representative Results
Discussion
Модель RBM представляет собой завершенную систему, где клеточный состав БМ поддерживается Экс Vivo на срок до 30 дней. BM клетки, выращенные в RBM само-стратификации в соответствии с их функция тесно имитируя архитектуру BM найдено в естественных условиях. Кроме того, это первая систе…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась за счет грантов от Национального института здравоохранения, Национальный институт рака (1R21CA141039), BD Biosciences Research выдаче гранта, Американское общество рака институциональных исследований Грант (IRG # 58-006-53), в Purdue University Центра Рака Исследования и канадские Институты Исследования Здоровья и научно-исследовательских инициатив Программы Альберта совета Рак. Депутат при поддержке Национального института здравоохранения, Национальный институт рака, профилактики рака программе стажировки (R25CA128770; PI: Д. Teegarden) в ведении онкологического Центра Наук и Научно-исследовательский центр Discovery обучения в Университете Пердью.
Materials
| CellTrace CFSE proliferation kit-for flow cytometry | Invitrogen/Life technologies | C34554 | |
| Fibronectin from human plasma | Millipore | NG1884448 | |
| Ficoll-Paque PLUS | GE Lifesciences | 17-1440-02 | |
| Matrigel basement membrane matrix | BD Biosciences | 354234 | |
| Rat tail collagen type I | BD Biosciences | 354249 | Collagen I from Millipore does not polimerize properly using this protocol |
| Vectashield mounting medium for fluorescence (regular set) | Vector Laboratories | H-1000 | |
| SigmaFast Red TR/Napthol AS-MX tablets | Sigma-Aldrich | F4648 | For TRAP staining |
| SigmaFast BCIP/NBT tablets | Sigma-Aldrich | B5655 | For alkaline phosphatase staining |
| Zeiss confocal LSM 510 microscope | Carl Zeiss | ||
| Zeiss 510 software | Carl Zeiss | Image analysis software for confocal analysis | |
| Zeiss Axiovert 200M inverted microscope | Carl Zeiss | ||
| MetaMorph software | Molecular Devices | Image analysis software for Axiovert 200M | |
| FACSort flow cytometer | BD biosciences | ||
| CellQuest Pro software | BD biosciences | Software for the analysis of flow cytometry data |
References
- Carrel, A. On the Permanent Life of Tissues Outside of the Organism. J. Exp. Med. 15, 516-528 (1912).
- Harrison, R. G. Observations on the living developing nerve fiber. Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 4, 140-143 (1907).
- Earle, W. R. Production of malignancy in vitro. IV. The mouse fibroblast cultures and changes seen in the living cells. J. Natl. Cancer Inst. 4, 165-212 (1943).
- Gey, G. O., Coffman, W. D., Kubicek, M. T. Tissue Culture Studies of the Proliferative Capacity of Cervical Carcinoma and Normal Epithelium. Cancer Res. 12, 264-265 (1952).
- Barcelloshoff, M. H., Aggeler, J., Ram, T. G., Bissell, M. J. Functional-Differentiation and Alveolar Morphogenesis of Primary Mammary Cultures on Reconstituted Basement-Membrane. Development. 105, 223-227 (1989).
- Lamb, R., Ambler, C. A. Keratinocytes propagated in serum-free, feeder-free culture conditions fail to form stratified epidermis in a reconstituted skin model. PloS One. 8, (2013).
- Duong, H. S., Le, A. D., Zhang, Q. Z., Messadi, D. V. A novel 3-dimensional culture system as an in vitro model for studying oral cancer cell invasion. Int. J. Exp. Pathol. 86, 365-374 (2005).
- Kirshner, J., et al. A unique three-dimensional model for evaluating the impact of therapy on multiple myeloma. Blood. 112, 2935-2945 (2008).
- Gudjonsson, T., et al. Normal and tumor-derived myoepithelial cells differ in their ability to interact with luminal breast epithelial cells for polarity and basement membrane deposition. J. Cell Sci. 115, 39-50 (2002).
- Kirshner, J., Chen, C. J., Liu, P., Huang, J., Shively, J. E. CEACAM1-4S, a cell-cell adhesion molecule, mediates apoptosis and reverts mammary carcinoma cells to a normal morphogenic phenotype in a 3D culture. Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A. 100, 521-526 (2003).
- Weaver, V. M., et al. Reversion of the malignant phenotype of human breast cells in three-dimensional culture and in vivo by integrin blocking antibodies. J. Cell Biol. 137, 231-245 (1997).
- Gunn, E. J., et al. The natural products parthenolide and andrographolide exhibit anti-cancer stem cell activity in multiple myeloma. Leukemia Lymphoma. 52, 1085-1097 (2011).
- Hsiao, A. Y., et al. 384 hanging drop arrays give excellent Z-factors and allow versatile formation of co-culture spheroids. Biotechnol. Bioeng. 109, 1293-1304 (2012).
- Meads, M. B., Gatenby, R. A., Dalton, W. S. Environment-mediated drug resistance: a major contributor to minimal residual disease. Nat. Rev. Cancer. 9, 665-674 (2009).
- Golde, D. W., Cline, M. J. Growth of Human Bone-Marrow in Liquid Culture. Blood. 41, 45-57 (1973).
- Gartner, S., Kaplan, H. S. Long-Term Culture of Human-Bone Marrow-Cells. Proc. Natl. Acad. Sci. Biol. 77, 4756-4759 (1980).
- Caligaris-Cappio, F., et al. Role of bone marrow stromal cells in the growth of human multiple myeloma. Blood. 77, 2688-2693 (1991).
- Pike, B. L., Robinson, W. A. Human bone marrow colony growth in agar-gel. J. Cell. Physiol. 76, 77-84 (1970).
- Bug, G., et al. Rho family small GTPases control migration of hematopoietic progenitor cells into multicellular spheroids of bone marrow stroma cells. J. Leukocyte Biol. 72, 837-845 (2002).
- Provenzano, P. P., et al. Collagen reorganization at the tumor-stromal interface facilitates local invasion. BMC Med. 4, (2006).
- Tancred, T. M., Belch, A. R., Reiman, T., Pilarski, L. M., Kirshner, J. Altered Expression of Fibronectin and Collagens I and IV in Multiple Myeloma and Monoclonal Gammopathy of Undetermined Significance. J. Histochem. Cytochem. 57, 239-247 (2009).
