Establishment of a Human Gastric Cancer Xenograft Model in Immunocompetent Mice Using the Microcarrier-6
Abstract
Rak żołądka jest jednym z najczęstszych nowotworów złośliwych przewodu pokarmowego. Stworzenie solidnego i wiarygodnego modelu zwierzęcego jest podstawą do badania patogenezy raka. W niniejszej pracy stworzono mysi model raka żołądka poprzez inokulację immunokompetentnych myszy komórkami MKN45 przy użyciu mikronośnika. Sześćdziesiąt samców myszy C57BL/6 zostało losowo podzielonych na trzy grupy: grupę 2D, grupę z pustym nośnikiem i grupę 3D, zgodnie z systemem kokultury MKN45 i mikronośnikiem. Modele mysie zostały stworzone przez wstrzyknięcie podskórne. W każdej grupie obserwowano czas do rozwoju guza, tempo powstawania guza i cechy patologiczne. W grupie 3D, czas do powstania guza był krótki, podczas gdy szybkość powstawania guza była wysoka (75%). Nie było wykrywalnego tworzenia się guzów ani w grupie 2D, ani w grupie z pustym nośnikiem. Zarówno H&E jak i barwienie immunohistochemiczne ksenograftów nowotworowych wykazało charakterystyczne dowody ludzkiego nowotworu żołądka. W niniejszym badaniu z powodzeniem ustanowiono model ludzkiego raka żołądka u myszy immunokompetentnych, co zapewnia nowy i cenny model zwierzęcy do badań nad nowotworami i rozwoju leków przeciwnowotworowych.
1. Wprowadzenie
Z około milionem nowo zdiagnozowanych przypadków rocznie, rak żołądka stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi na całym świecie. Jednak patogeneza i mechanizmy powstawania przerzutów raka żołądka nie zostały jeszcze do końca wyjaśnione. Modele in vivo raka żołądka są niezbędnymi narzędziami do badania biologicznych cech tego nowotworu i potencjalnych nowych możliwości leczenia. Modele ksenograftów ludzkiego raka żołądka zostały stworzone na myszach z niedoborem odporności, takich jak myszy nagie i myszy z ciężkim połączonym niedoborem odporności. Jednakże, myszy z niedoborem odporności nie są łatwe w hodowli i są kosztowne. Co ważne, myszy z niedoborem odporności nie odzwierciedlają ważnej roli układu odpornościowego w rozwoju i progresji nowotworów. Dlatego też, stworzenie nowego modelu ksenograftów ludzkiego raka żołądka u myszy z prawidłowym układem odpornościowym ma ogromne znaczenie. W obecnym badaniu, MKN45, ludzkie komórki raka żołądka i mikronośnik były hodowane w kokulturze, a następnie immunokompetentne myszy zostały zaszczepione zawiesiną, z powodzeniem ustanawiając nowy ludzki ksenograft raka żołądka.
2. Materiały i Metody
2.1. Materials
Roswell Park Memorial Institute- (RPMI-) 1640 culture medium, trypsin, fetal bovine serum, and penicillin were purchased from Gibco (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA). Królicze przeciwciała monoklonalne przeciwko ludzkiemu antygenowi węglowodanowemu 199 (CA199), cytokeratynie 7 (CK-7) i homeoboksowi typu ogoniastego 2 (CDX-2) zakupiono w firmie Abcam (Cambridge, Wielka Brytania). Mikrokarrier-6 zakupiono od firmy Elyon Biotechnologies LLC (Gaithersburg, MD, USA).
2.2. Zwierzęta doświadczalne
Sześćdziesiąt 6-8-tygodniowych samców myszy C57BL/6 o wadze 22-25 g zakupiono od Jinan Pengyue Experimental Animal Breeding Co., Ltd. (numer licencji: SCXK 20140007, prowincja Shandong, Chiny) i trzymane w specyficznym, wolnym od patogenów centrum dla zwierząt w Affiliated Hospital of Jining Medical College (prowincja Shandong, Chiny). Wszystkie eksperymenty na zwierzętach przeprowadzono za zgodą Institutional Animal Care and Use Committee of the Affiliated Hospital of Jining Medical University i przeprowadzono zgodnie z zatwierdzonymi wytycznymi.
2.3. Linie komórkowe
Linia komórkowa ludzkiego raka żołądka MKN45 została zakupiona z Cell Bank of the Chinese Academy of Science (Szanghaj, Chiny) i hodowana w podłożu RPMI-1640 zawierającym 10% płodowej surowicy bydlęcej i 100 U/mL penicyliny w temperaturze 37°C przy 5% CO2. Podłoże hodowlane zmieniano co 24 h, a komórki zbierano przez trawienie 0,25% trypsyną.
2.4. Establishment of a Three-Dimensional (3D) Tumor Cell Culture Model
Mikronośnik-6 nasączano 75% etanolem przez 24 h, przemywano trzykrotnie 1x buforem fosforanowym soli fizjologicznej i inkubowano w podłożu RPMI-1640 przez 24 h. Następnie mikronośnik-6 modyfikowano przez 3 h inkubację z czynnikiem pochodzącym z komórek stromalnych-1 alfa (SDF-1α) i czynnikiem wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF), oba w stężeniu 100 ng/mL. Komórki w logarytmicznej fazie wzrostu liczono po barwieniu błękitem trypanu i dostosowywano do stężenia, gdy żywotność wynosiła >95%. Zawiesinę komórek MKN45 mieszano ze zmodyfikowanym mikrokarierą-6 i inkubowano w temperaturze 37°C z 5% CO2 przez kolejne 24 h w celu nasycenia komórek mikrokarierą, co obserwowano pod mikroskopem (ryc. 1(c) i 1(d)).
(a)
(b)
(c)
.
(d)
(e)
(f)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
2.5. Animal Grouping
Sześćdziesiąt myszy C57BL/6 podzielono losowo na trzy grupy (po 20 myszy w grupie): grupa dwuwymiarowa (2D) (zwierzęta zaszczepione preparatem zawierającym ), grupa z pustym nośnikiem (zwierzęta zaszczepione preparatem zawierającym 30 μg mikrokariery-6) oraz grupa 3D (zwierzęta zaszczepione preparatem zawierającym i 30 μg mikrokariery-6).
2.6. Generowanie modelu zwierzęcego
Model hodowli komórek nowotworowych 3D został utworzony pierwszego dnia eksperymentu i inkubowany przez 24 h. Drugiego dnia wyhodowane kompleksy komórka-mikrokariera zostały trzykrotnie przemyte w i delikatnie wymieszane z w celu dostosowania stężenia do komórek i 300 μg mikrokariery-6 na 1 mL zawiesiny, i umieszczone na lodzie do późniejszego wykorzystania. Komórki MKN45 w logarytmicznej fazie wzrostu zbierano, trypsynizowano, przemywano trzykrotnie , a następnie ponownie zawieszano w zawiesinie o stężeniu , którą umieszczano na lodzie do późniejszego wykorzystania. Zmodyfikowany mikrokarrier-6 przemywano trzykrotnie , ponownie zawieszano w stężeniu 300 μg/mL i umieszczano na lodzie do późniejszego użycia. Każda mysz we wszystkich trzech grupach doświadczalnych została zaszczepiona 100 μL odpowiedniego roztworu pod prawym grzebieniem pachowym.
2.7. Wykrywanie wskaźników i badanie patologiczne
Po inokulacji myszy trzymano oddzielnie w grupach i monitorowano ich codzienny apetyt, aktywność i masę ciała. Zarejestrowano czas tworzenia się miejscowego guza i objętość guza u każdej myszy. Gdy guzy były widoczne, długa średnica (a) i krótka średnica (b) każdego guza były mierzone codziennie, a objętość guza została obliczona zgodnie ze wzorem objętości guza: . Myszy noszące guzy zostały uśmiercone w trzech partiach: 10, 20, i 30 dni po inokulacji. Tkanki guza były całkowicie usuwane z każdej myszy, a jakość guza, jego tekstura, stopień naciekania i martwicy były rejestrowane. Tkanki guza zostały następnie utrwalone w 4% obojętnym buforowanym formaldehydzie i zabarwione hematoksyliną i eozyną (H&E). Do immunohistochemii użyto dwuetapowej techniki barwienia EnVision. Wyniki barwienia określano na podstawie dodatniego ziarnistego barwienia cytoplazmatycznego guza. Negatywne (-ve) barwienie było definiowane jako <5% pozytywnie wybarwionych komórek, a pozytywne (+ve) barwienie było definiowane jako ≥5% pozytywnie wybarwionych komórek.
2.8. Analiza statystyczna
Do analizy statystycznej użyto oprogramowania SPSS 13.0 (IBM SPSS, Chicago, IL, USA). Dane pomiarowe przedstawiono jako średnie ± błąd standardowy średniej (SEM). Różnice między średnimi wartościami w poszczególnych grupach porównywano, stosując odpowiednio jednokierunkową analizę wariancji (ANOVA) lub test Kruskala-Wallisa. jest uważana za różnicę istotną statystycznie.
3. Wyniki
3.1. Establishment of the In Vitro MKN45 3D Tumor Culture System Using the Microcarrier-6
Mikrokariera-6 jest nowatorską mikrokarierą złożoną z dodatnio naelektryzowanych polimerów organicznych o wielowarstwowej porowatej strukturze. Wielkość porów, gęstość dodatniego ładunku powierzchniowego i rozmiar mikronośnika-6 można regulować za pomocą syntezy chemicznej. Mikronośnik typu C, o małej objętości, dużym rozmiarze porów i wielokrotnie składanej przestrzeni, jest stosowany głównie do hodowli komórek 3D i eksperymentów wrażliwości na leki (rys. 2(a) i 2(b)). Nośnik typu M, o dużej objętości, małym rozmiarze porów i niskim czasie fałdowania wewnętrznego, jest stosowany głównie w badaniach z zakresu inżynierii tkankowej (rys. 2(c) i 2(d)). W naszych badaniach wykorzystano mikrokarierę typu C-6. Mikrokariera-6 jest czystym związkiem organicznym, który nie jest podatny na zanieczyszczenie, nie zawiera zanieczyszczeń, ma niską immunogenność i metabolizm oraz jest wysoce biokompatybilna, zapewniając stabilne mikrośrodowisko dla wzrostu komórek (rysunki 2(a)-2(d)). Ponadto, mikronośnik-6 jest bezpośrednio osadzany w skórze myszy, indukując wzrost naczyń krwionośnych (rysunki 2(e) i 2(f)), co może zapewnić wystarczający dopływ krwi dla wzrostu komórek nowotworowych. Komórki MKN45 szybko przylegały w środowisku 2D, a morfologia komórek obserwowana pod mikroskopem po 24 godzinach hodowli wykazywała kształt nieregularnego wielokąta (rysunek 1(a)). Mikronośnik-6 wykazywał nieregularny lub długi wrzecionowaty kształt i luźną teksturę (Rysunek 1(b)). Po 24-godzinnej kokulturze MKN45 i zmodyfikowanego mikronośnika-6, komórki MKN45 dobrze przylegały do mikronośnika i osiągnęły konfluencję. Ponadto, zaobserwowano nieregularne skupiska komórek otaczające komórki MKN45 przylegające do mikronośnika-6 (Figura 1(c)). Kompleksy komórka MKN45-mikrokariera zostały wybarwione roztworem 4,6-diamidino-2-fenyloindolu (DAPI), ujawniając dużą liczbę komórek MKN45 przylegających do rusztowania mikrokariery-6 (Figura 1(d)). Wielowarstwową porowatą strukturę mikronośników można zaobserwować w skaningowym mikroskopie elektronowym (Rysunek 1(e)). Komórki MKN45 przylegały do mikronośników, a komórki przylegające do powierzchni tworzyły skupiska komórek (Figura 1(f)).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
3.2. Mouse Survival and Tumor Formation
Nie odnotowano znaczących zmian w apetycie, sierści czy masie ciała wśród grup podczas eksperymentu (Tabela 1). Myszy w grupie 3D wykazały niewielki spadek aktywności tydzień po inokulacji. Żadne zwierzę nie zmarło w żadnej z grup, a w grupach z pustym nośnikiem i 2D nie stwierdzono tworzenia się guzów podczas 30-dniowego doświadczenia. Podskórne masy u 15 z 20 myszy w grupie 3D zostały zidentyfikowane przez palpację 7-10 dni po inokulacji, co sugeruje, że wskaźnik tworzenia się guzów wynosił 75% (Tabela 1). Ksenograty guza rosły szybko i były obserwowane jako masy podskórne około 10 dni po inokulacji (Figura 3(a), Dodatkowa Figura 3). Ksenograty guza urosły do rozmiaru 0,5-1,0 cm3 od 2 do 3 tygodni po inokulacji. Tkanki ksenograftów nowotworowych łatwo oddzielały się od sąsiednich tkanek i miały stosunkowo regularne kształty, przeważnie okrągłe lub owalne, szarobiałe lub szaroczerwone zabarwienie, z obfitym ukrwieniem obwodowym (ryc. 3(b) i 3(c) oraz uzupełniająca rycina 3). Stwierdzono zmiany histologiczne w miejscu wstrzyknięcia w grupie z pustym nośnikiem, ale bez zmian w grupie 2D (ryc. 3(d) i 3(e)). Zaobserwowano małe masy podskórne o żółtym zabarwieniu w grupie pustego nośnika (Figura 3(d)).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dane są przedstawione jako .
|
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
3.3. H&E Staining
Histomorfologia, widoczna w mikroskopii świetlnej, wykazała dużą liczbę nieuporządkowanych i atypowych komórek w ksenograftach nowotworowych pochodzących od myszy z grupy 3D (Rysunki 4(a)-4(c)). Zaobserwowano dużą liczbę heterotypowych komórek, resztkowe mikrokrążki i obfite naczynia krwionośne, 10 dni po inokulacji (rysunek 4(a)). 20 dni po inokulacji zaobserwowano niewielką liczbę pozostałych mikrokrążków (rysunek 4(b)) i dużą liczbę zmian martwiczych (rysunek 4(d)). Jednakże, mikrokariery zostały w znacznym stopniu wyeliminowane 30 dni po inokulacji (Rysunek 4(c)). W grupie pustych nośników zaobserwowano dużą liczbę mikronośników i niewielką liczbę komórek zapalnych, ale nie znaleziono komórek nowotworowych (Figura 4(e)).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
3.4. Immunohistochemia
Immunohistochemię przeprowadzono u zwierząt poddanych eutanazji 20 dni po ksenograftach guza. Tkanki guza ksenograftu wykazywały pozytywne barwienie CA199, CK-7 i CDX-2 (rysunki 4(f)-4(h)), co dodatkowo potwierdza, że nietypowe komórki były komórkami nowotworowymi pochodzenia ludzkiego.
4. Dyskusja
Modele zwierzęce były szeroko stosowane do badania patogenezy i mechanizmów przerzutowania raka żołądka i odgrywają niezwykle ważną rolę w ocenie skuteczności i toksyczności leków terapeutycznych. Obecnie modele zwierzęce raka żołądka obejmują głównie następujące elementy: model indukcyjny, model transplantacyjny i model inżynierii genetycznej. Spośród tych trzech typów modeli, model transplantacyjny jest łatwy w obsłudze, a przez to szeroko stosowany. Rodzaj zwierząt doświadczalnych, ksenograftów nowotworowych oraz miejsce i droga przeszczepu zostały uznane za czynniki wpływające na sukces modeli ksenograftowych. Myszy z defektami funkcji immunologicznych, takie jak myszy nagie i myszy z ciężkim połączonym niedoborem odporności (SCID), są powszechnie stosowane w modelach ksenoprzeszczepów. Jednak ze względu na stosunkowo wysoki koszt, krótką długość życia i brak odpowiedzi immunologicznej na guzy u myszy z niedoborem odporności, wybraliśmy immunokompetentne myszy C57BL/6 do modelu ksenoprzeszczepu, aby uniknąć wad myszy z niedoborem odporności. Ogólnie uważa się, że występowanie raka żołądka nie jest związane z poziomem estrogenów, a częstość występowania raka żołądka u samców jest wyższa niż u samic. W związku z tym, jako modeli użyliśmy samców myszy. Ponadto, w niniejszym badaniu wykorzystano ludzkie komórki raka żołądka MKN45 do stworzenia modelu in vitro, głównie ze względu na silne właściwości inwazyjne i metastatyczne tej linii komórkowej. Ponadto, region podskórny pod pachą i przeszczep ektopowy zostały wybrane jako miejsce i droga przeszczepu komórek nowotworowych, odpowiednio, w wyniku obfitego zaopatrzenia w krew i luźnej struktury tkankowej tego obszaru, co ułatwia wzrost guza u myszy .
Jako pomost między systemem hodowli komórek 2D i modelem zwierzęcym, system hodowli komórek 3D lepiej symuluje mikrośrodowisko wzrostu komórek nowotworowych i stał się atrakcyjnym tematem w obecnych badaniach . Hodowla 3D komórek nowotworowych tworzy organoidy nowotworowe, a modele ksenograftów oparte na organoidach nowotworowych zaczęły być stosowane do badań przesiewowych leków przeciwnowotworowych. W niniejszym badaniu wykorzystano nowatorski mikrokarrier-6 i komórki MKN45 do eksperymentów kokulturowych, aby z powodzeniem ustanowić model wzrostu 3D. Bezpośrednio osadziliśmy mikrokarierę-6 w tkance podskórnej myszy, aby umożliwić naczyniom krwionośnym wejście do mikrokarier, prezentując specyficzną zaletę, która nie została osiągnięta w przypadku innych mikrokarier. Badania donoszą o łagodnej immunosupresji immunokompetentnych myszy w celu osiągnięcia odporności na ludzkie komórki nowotworowe, z powodzeniem ustanawiając model myszy noszącej guz; jednak do tej pory nie ma doniesień o udanej ektopowej transplantacji ludzkiego guza w normalnych myszach w warunkach nieimmunosupresyjnych. Ponadto, kiedy dostosowaliśmy stężenie komórek MKN45 do i natychmiast wstrzyknęliśmy 100 μL zawiesiny komórek MKN45 podskórnie każdej myszy, stabilne tworzenie się guza nie zostało osiągnięte z powodu silnego immunologicznego oczyszczania ektopowo przeszczepionych ludzkich komórek nowotworowych. Mikronośnik-6 użyty w obecnym badaniu wykazywał niską immunogenność i luźną teksturę z licznymi porami w środku, co ułatwiało wzrost komórek nowotworowych. Mikronośnik-6 działał również jako bariera blokująca komórki odpornościowe przed bezpośrednim zabijaniem komórek nowotworowych. Zmodyfikowany mikronośnik-6 pozwalał naczyniom krwionośnym łatwo rosnąć wewnątrz guza, zapewniając odpowiednie warunki do szybkiego wzrostu komórek nowotworowych.
Odporność komórkowa jest główną armią przeciwko wzrostowi guza; komórki zaangażowane głównie obejmują limfocyty T, naturalne komórki zabójcze, makrofagi i komórki dendrytyczne. Ze względu na nieregularną „labiryntową” strukturę mikrokariery-6, może ona działać jako krótkoterminowa bariera i blokować bezpośrednie zabijanie komórek nowotworowych przez komórki odpornościowe w pewnym stopniu. Ponadto, trzy godziny przed eksperymentem, mikronośnik-6 został dodatkowo zmodyfikowany SDF-1α i VEGF, aby przyspieszyć tworzenie naczyń krwionośnych i zapewnić dopływ krwi dla szybkiego wzrostu guza, co przewyższyło antynowotworowy efekt immunologiczny myszy. Równocześnie stwierdziliśmy, że makrofagi we krwi obwodowej i tkankach śledziony myszy zostały znacznie zmniejszone podczas wczesnego etapu tworzenia się przeszczepionego guza, w porównaniu z normalną grupą kontrolną (Supplementary Figure 1). Liczba makrofagów szpiku kostnego stopniowo zmniejszała się między grupą pustego nośnika, grupą 2D i grupą 3D, ale nie było to istotne statystycznie (Dodatkowa Figura 2A, 2B). W porównaniu z grupą pustego nośnika, liczba limfocytów T śledziony w grupie 2D została zmniejszona, ale nie było to istotne statystycznie (Supplementary Figure 2C). Liczba limfocytów T śledziony w grupie 3D była znacznie mniejsza niż w grupie 2D (Supplementary Figure 2C). Sugeruje to, że wzrost guza hamował układ odpornościowy, umożliwiając szybki wzrost guza.
W niniejszym badaniu ustanowiono model wzrostu 3D komórek MKN45, z powodzeniem ustanawiając model ksenograftów ludzkiego raka żołądka u myszy immunokompetentnych w grupie 3D, podczas gdy myszy w grupach 2D i pustych nośników nie tworzyły żadnych guzów. Ten model ksenoprzeszczepu charakteryzował się szybkim wzrostem guzów, które można było wyczuć palpacyjnie 7-10 dni po inokulacji, a optymalny wzrost osiągnęły 10-15 dni po inokulacji; objętość guza wynosiła 0,5-1,0 cm3 około 20 dni po inokulacji. Duża liczba komórek z atypią jądrową, które przeniknęły do tkanki mięśniowej i tłuszczowej, została wykryta przez barwienie H&E. Resztki mikrokariery-6 były otoczone przez komórki zapalne i tworzyły ziarniniaki z dużym obszarem martwicy w centrum, co prawdopodobnie było spowodowane niewystarczającym zaopatrzeniem w krew z powodu szybkiego wzrostu guza. Zjawiska te są zgodne z rozwojem guza u ludzi. Co więcej, obfite naczynia włosowate znajdowały się głównie na obrzeżach guzów. Obecnie nie ma specyficznego markera nowotworowego dla raka żołądka, jednak CA199, CK-7 i CDX-2 są powszechnie stosowane jako markery nowotworów przewodu pokarmowego. Dlatego wybraliśmy te trzy markery do znakowania i identyfikacji komórek raka żołądka pochodzących od człowieka. Immunohistochemiczne barwienie CA199, CK-7 i CDX-2 było pozytywne, co dodatkowo potwierdziło, że heteromorficzne komórki były ludzkimi komórkami raka żołądka.
5. Wnioski
Z powodzeniem stworzyliśmy model ksenograftów ludzkiego raka żołądka u myszy immunokompetentnych. Model ten może odzwierciedlać interakcję między układem odpornościowym organizmu a guzami i ma szerokie perspektywy zastosowania w przyszłych badaniach nad odpornością guza, jak również w badaniach nad nowymi lekami i ich rozwojem.
Dostępność danych
Dane użyte do poparcia wyników tego badania są dostępne na żądanie od autora.
Konflikt interesów
Autorzy deklarują, że nie mają konfliktu interesów.
Wkład autorów
Yanzhen Bi, Quanyi Wang, i Yonghong Yang w równym stopniu przyczynili się do powstania tej pracy.
Podziękowania
Badanie to było wspierane przez granty z National Natural Science Foundation of China (81170395 i 81570556), Natural Science Foundation of Jilin Province (20180101137JC i 20180101130JC) oraz Research Fund for Lin He’s Academician Workstation of New Medicine and Clinical Translation in Jining Medical University (JYHL2019FMS21).
Materiały uzupełniające
Zmiany komórek zapalnych i inne dane nowotworowe. Rysunek uzupełniający 1: zmiany komórek zapalnych u myszy noszących guzy podczas wczesnego etapu tworzenia przeszczepionego guza. Uzupełniająca Figura 2: zmiany komórek zapalnych w różnych grupach podczas wczesnego etapu tworzenia przeszczepionego guza. Rysunek uzupełniający 3: myszy noszące guzy i przeszczepione tkanki nowotworowe. (Materiały uzupełniające)
.