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重感情的围巾
3 年前 |
往往在普通本科生物学课程,细胞周期调控和癌症的主题上眼,但没有详细探讨,因为内容在这些课程的广度留下一点时间深入。此外,本科学生的生物通常不会暴露在与动物细胞培养相关的先进技术。为了帮助学生养成对这些概念有了更深的了解,同时应用和分析所学,实验室活动是作为 研究的沃尔特·里德陆军研究所 (WRAIR)扩展实验活动 1 的修改。实验室模块使用逐步的,实验策略,其包括生长和表征的癌细胞模型,开发和执行细胞计数的方法,确立最佳时间进程和剂量与抗增殖剂处理的细胞,并确定异常细胞信号传导途径。实验还允许开-ended询问。
大多数需要这种活动的技术可以实现在一个典型的生物学教学实验室。活动开始与学生表征的小鼠乳腺肿瘤(MMT)细胞系的形态和生长速率,模型为人类乳腺癌 2。 乳腺癌的选择,因为它的人口患病率,其熟悉大学年龄的学生,和现有的广泛的数据作为模型癌症。在MMT细胞系特别选择,因为它是容易获得的,良好表征的,具有短倍增时间,容易成长。此外,MMT细胞是雌激素依赖这与大多数女性乳癌一致。学生然后通过与化疗药物,其作用机理是很好的药物和的处理长度的确立。浓度改变允许学生处理细胞识别所述MMT细胞异常细胞信号传导途径评价这些变量对细胞分裂的速率的影响。重点分析了本次活动是细胞活力,它只是需要细胞计数,使用以下两种方法之一的决心。每种方法依赖于强大的显微镜技术。学生确定细胞存活率通过使用标准的,血球的方法和一种新的显微照相方法和建议。根据他们的研究结果,他们可以提出并测试修改的活性。然后学生表示他们的数据和解释结果,以完善他们的假设,并制定新的实验策略。
该实验室的活动适合于大一大二或水平的学生主修生物科学。它被冷凝成可在第一年完成,一般生物学或第二年,蜂窝/分子生物学过程的一周实验室模块。需要正确完成活动的技能包括基本的算术和代数,熟悉的C数组矿石实验室技能( 例如 ,移液,溶液制作,无菌技术),数据分析,基本光镜和时间管理,以及细胞培养和电子表格软件的讲师知识。所需试剂包括的动物细胞系模型对癌症( 例如 ,小鼠乳腺肿瘤细胞,MMT 2), 化疗剂( 例如 ,他莫昔芬,姜黄素,二甲双胍,和阿司匹林),台盼蓝和细胞培养基( 例如,Eagle氏最低必需培养基 ; EMEM)用适当的补充剂( 例如 ,供体马和牛胎儿血清)。所需仪器包括一个倒置光学显微镜用数码相机连接,计算机100毫米和24孔组织培养板,CO 2 培养箱(或等效物),生物安全柜(BSC; II级),血球和数字显微镜软件。
也有特定的实验室活动依赖于动物细胞培养TEAC很好的例子^ h本科生约在细胞生物学 3 概念。然而,许多需要物资或技术是不容易( 例如 ,放射性同位素,活的动物组织,先进的影像设备 1,4,5), 描述是相当先进( 例如 ,适合400级课程 6) 协议,或需要多周或学期长的项目 6,7。 这里描述的实验活动很简单,可与常见的实验室设备一个星期进行。
综上所述,本实验模块有效地引入或增强细胞周期,细胞信号通路与肿瘤的概念,而教学的基本和高级技能实验室,实验数据分析,动物细胞培养的方法和科学的过程。该实验室模块简单,经济方便和开放式查询提供了灵活性和机会。该活动鼓励学生的创造力通过提供模板实验策略,作为一个指导,但不是一个配方。最重要的是,该活动满足了花开分类 8 所有学习领域,因为它需要记忆,理解,应用,分析,评估和创建通过参与学生在过程中,拉他们走出课本,走进科研的世界。
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注:操守II级生物安全柜的所有工作与细胞和细胞培养试剂 (BSC)9。 MMT细胞被列为生物安全I级,因为它们对低到中等风险的生物。应用适当的清洁和消毒程序到BSC用途( 例如 ,紫外光,70%的乙醇擦拭)之间。
1.成长MMT细胞
2.计数细胞MMT
注意:计数细胞,以确定是否细胞需要传代培养,以设置一个实验,或确定细胞活力。还有这里介绍两种方法。
3.治疗MMT细胞具有抗增殖剂
4.实验室模块
注:以下是5天为实验室模块。 图7 实验室时间表是什么样的时间表将内5天带来的流程图。对于此活动到五天内完成任一时间过程或剂量响应曲线被产生。没有足够的时间来生成曲线。下方的剂量反应实验说明。时程实验可容易地互换
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成长MMT细胞和比较计数方法 。
小鼠乳腺肿瘤细胞成功地生长和特征( 图1), 并使用麦克奥迪软件,用于显微镜的数码相机相关的软件程序开发了一种新的细胞计数法。这种新的细胞计数法进行比较采用血细胞计数器( 图2) 传统的计数方法,被证明是同样准确确定细胞数目( 表1)。 为了控制由于不同的生长条件或细胞类型上的细胞数之间的任何影响,这两个细胞计数的方法之间的比较中的抗增殖剂的存在和不存在,并具有不同的细胞系,神经元模型的PC12 17 进行。
图3 示出的区域的圈定使用defin的叠加的网格用这种方法计数细胞编尺寸。网格铺设在的视角(FOV)的场和一个绿色帧然后被施加到指定的长度和宽度的网格(即,9X5正方形)。将细胞绿色帧内计数和细胞的数量被外推,如在该协议中讨论。
处理MMT细胞:确定MMT细胞的剂量响应于抗增殖剂。
剂量反应研究( 图4) 进行了对每个抗增殖剂。纵观这些实验数据被不断收集,审查和分析,看看是否有可能修改协议中必要的。该实验进行三次,每次研究产生了类似的结果。实验持续到所有的细胞死亡或药物的作用已趋于稳定。结果的数字显微照片示于 图4中 ,以及这些结果的图形分析,提出在 图5 中,有效的浓度范围列于 图4 的说明,在 图5 的X轴和在协议部分。
在他莫昔芬的最低浓度,0.054毫,当与未经处理的细胞( 图4A) 相比有健壮抑制细胞生长的,大约83%。细胞存活率继续下降与浓度三苯氧胺增加( 图5A)。 他莫昔芬的最佳剂量确定为0.216毫米,因为48小时后完整的细胞死亡发生在该浓度( 图4A)。 有趣的是,这些减少细胞增殖显露任何迹象表明他莫昔芬蜂窝性的,因为会基于文献 18,19 强调, 在体外 系统模型中预期,但并不总是完全代表 体内 的事件。此外,当具有最低特雷对比atment浓度的姜黄素( 图4B和图5A) 和二甲双胍( 图4C和图5B), 他莫昔芬的最低浓度为9%和50%的更有效地阻止细胞分裂,分别。
姜黄素对展出细胞分裂抑制浓度依赖性的效果好。随着浓度的增加,出现了在细胞活力( 图4D和图5A) 一个显著降低。姜黄素的最佳剂量测定为0.216毫因为后48小时,如他莫昔芬,有完整的细胞死亡在该浓度。
二甲双胍治疗产生在MMT细胞活力的至少显着降低,从而导致降低了33%,在最低浓度。由此所伴随的减少细胞存活力随二甲双胍浓度观察到( 图4C和图5B)。 二甲双胍的最佳剂量确定要在测试的最高浓度(10毫米)。相比于他莫昔芬和姜黄素,既常规用作化疗剂,二甲双胍是30-40%少有效地抑制细胞周期。有趣的是,在二甲双胍细胞分裂的影响是与阿司匹林的管理( 图4D和5A), 水杨酸药物,没有明确的细胞生长抑制机制取得一致。
处理MMT细胞:确定到抗增殖剂的MMT细胞反应的时间过程。
时程研究,也对各抗增殖剂进行,因为有效剂量的施用的药物可以通过暴露的时间受到影响。如本模块测定细胞活力,它首先确定该细胞如何快速分裂(倍增时间),所以对时间的细胞暴露于能够选择的药物的长度的逻辑窗口是非常重要的。它是必不可少的,因此,MMT细胞的倍增时间是最初的时候表征细胞确定。纵观这些实验中,数据被不断收集,审查和分析,看看是否有可能修改协议中必要的。该实验进行三次,每次研究产生了类似的结果。实验继续,直到所有的细胞都死了或影响已经趋于稳定。
时间过程研究显示,治疗MMT细胞与每种抗增殖药物的最佳浓度(他莫昔芬0.216毫姜黄素0.216毫二甲双胍10毫摩尔)96小时导致完全的细胞死亡或流平关的药物治疗的效果( 图6)。 虽然阿司匹林,在“可选”的药,确实影响细胞活力在我们的剂量反应研究中,影响是次要的,因此不被列入时间过程的研究。
图1. MMT细胞
。
在3.6×10
6
个细胞/ cm
2
在改性
鹰极限必需培养基
(EMEM).100X,标度=0.2毫米生长“健康的”,未处理小鼠乳腺肿瘤(MMT)细胞的数字显微照片中,由白条。
请点击此处查看该图的放大版本。
图2。 血球电网。 血球格的显微照片,100倍。在圆(FOV)显示整个电网部分。 请点击此处查看该图的放大版本。
尔斯/ ftp_upload / 52528 / 52528fig3.jpg“/>
图3。指定用的Motic软件的计数区域。 在FOV电网覆盖和定义的区域计数与麦克奥迪软件建立MMT细胞通过显微镜看到的图像。 100X,规模= 0.2毫米,用白条表示。 请点击此处查看该图的放大版本。
MMT细胞抗增殖剂的图4的剂量反应。
生长在抗增殖剂存在下,在不同浓度的96小时MMT细胞的数字显微照片。他莫昔芬:(A1)0.054毫(A2)0.108毫(A3)0.162毫米(A4)的0.216毫;姜黄素:(B1)0.054毫(B2)的0.108毫(B3)0.162毫(B4)0.216毫米;二甲双胍:(C1)2mM的(C2),4mM的(C3)的6毫米(C4)的8毫米(C5)的10mM;阿司匹林:(D1)0.030毫米(D 2)0.060毫(D3)0.099毫(D4)0.150毫(D5)0.216毫;乙醇(100%)和未经处理的均控制。 100X,规模为0.1毫米,由蓝色线条组成的网格内的每个方块表示。
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的MMT细胞的剂量响应实验图5的图形表示到抗增殖剂。 增加的抗增殖剂(A)的他莫昔芬,姜黄素,阿司匹林,和(B)上MMT细胞活力二甲双胍浓度的影响。结果重新表示为48小时后治疗的对照的百分比,虽然细胞治疗持续96小时。 N = 3,STD表示。
MMT到抗增殖剂的细胞反应的时间过程分析的图6的图 形表示。
时间当然他莫昔芬对蒙脱土细胞活力的影响(0.216mM),姜黄素(0.216mM)和二甲双胍(10毫米)超过96研究小时。结果表示为对照的48小时后治疗的百分比。这里示出的是一个代表性实验的结果中,n = 1。
图7流程图的5天的实验室模块。
| 电池类型 | 药品AdministereD | 实验当天 | 药物的浓度 | 细胞计数与麦克奥迪 | 细胞计数与血球 |
| MMT | 未处理 | 第2天 | - | 7.8×10 4个 细胞/ cm 2 的 | 8.0×10 4个 细胞/ cm 2 的 |
| MMT | 乙醇 | 第2天 | 10毫 | 7.1×10 4个 细胞/ cm 2 的 | 7.2×10 4个 细胞/ cm 2 的 |
| MMT | 他莫昔芬 | 第2天 | 0.216 MM | 0个/厘米 2 | 0个/厘米 2 |
| MMT | 他莫昔芬 | 第2天 | 0.054毫米 | 1.3×10 4个 细胞/ cm 2 的 | 1.5×10 4个 细胞/ cm 2 的 |
| MMT | 姜黄素 | 第2天 | 0.054毫米 | 1.9×10 4℃ ELLS / cm 2 的 | 2.0×10 4个 细胞/ cm 2 的 |
| MMT | 姜黄素 | 第2天 | 0.216毫米 | 0个/厘米 2 | 0个/厘米 2 |
| MMT | 二甲双胍 | 第2天 | 2毫米 | 5.1×10 4个 细胞/ cm 2 的 | 5.2x10 4个 细胞/ cm 2 的 |
| MMT | 二甲双胍 | 第2天 | 6毫米 | 3.4×10 4个 细胞/ cm 2 的 | 3.5×10 4个 细胞/ cm 2 的 |
| MMT | 阿司匹林 | 第2天 | 0.099毫米 | 2.8×10 4个 细胞/ cm 2 的 | 3.0×10 4个 细胞/ cm 2 的 |
| PC12 | 未处理 | 分裂 | - | 2.5×10 4个 细胞/ cm 2 的 | 2.1×10 4个 细胞/ cm 2 的 |
表1。血球麦克奥迪软件计数的方法。MMT 细胞的细胞计数的结果,无论是使用软件麦克奥迪或血球方法 的比较 。未经处理的和处理的细胞进行计数,以及一个不同的细胞系,PC12,作为对照。
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实验室模块提出,旨在通过动物细胞培养的先进技术传授细胞生物学的各种话题。模块通过分析若干抗增殖化学品对细胞模拟人类乳腺癌的复制的效果达到这一点。主要检测依赖于细胞计数的基本技术,并引入了一种新的方法来计算使用显微镜的软件单元。包括该模块的活动可以与仪器和设备,在大多数生物学程序可用来进行。该模块可在5天的日程与用品是廉价且容易地得到实现。虽然数码显微镜照相机和显微镜软件将特定的品牌在这里(麦克奥迪软件)使用,任何类似的摄像头和软件就足够了。
本实验模块采用MMT细胞为模型对人类乳腺癌。学生先教增长,这些特点培养中的细胞。重要的是要强调的是,成功完成该实验室模块需要调查(又名学生)被非常熟悉健康MMT细胞的外观和行为,特别是因为未处理的MMT细胞作为对照。因此彻底表征的细胞生长模式,倍增时间和MMT细胞的一般形态是必不可少的,如果适当的剂量反应和时间过程数据要被生成的。
一旦其特征处,MMT细胞然后测试它们响应于各种抗增殖剂如教学细胞分裂,细胞周期调控,细胞信号和癌的课题的手段。细胞活力是用来理解这些药物对细胞的作用。计数细胞,采用用显微镜式数字照相机相关联的软件的新方法,是进行与相对于传统计数血球的基于过程来验证其准确性。 THI小说的方法有两个好处,因为它采用的是本科教学实验室这是尤其值得关注。首先,由于细胞不需要从组织培养板进行计数除去,更短的时间是必要的,以进行主实验测定。这使得大量的实验变量来一次,并在有限的时间内进行测试。第二,该方法提供的实验治疗,允许学生评估结果和完善其实验策略实验室外的细胞应答的数字记录。
有几个问题要注意实现这两种方法计算的时候。首先,在用任一方法计数细胞,将细胞与台盼蓝活细胞和死细胞之间进行区分。死细胞被染料渗透和出现暗蓝色,而存活的细胞是明亮的白色。然而,如果细胞与镝Ë超过推荐的潜伏期,他们将过染色,很难区分。第二,MMT细胞可能聚集在血球或组织培养板和难以单独计数。因此,“丛”被指定给包含一定数目的细胞( 例如,10 个细胞/丛)和每丛出现在网格然后由该数字的计数期间相乘的。最后,MMT细胞粘附的菜肴在它们所生长的表面上。因此,有必要以除去细胞时直接触摸吸管的尖端到板并施加力到拆散细胞团,并从板尽可能除去尽可能多的细胞。因此,它需要我多次尝试使用传统的方法,血球时获得准确的数目。
与细胞充分表征和计数的方法验证,两种不同的实验进行;的不同浓度的影响的剂量响应研究的抗增殖药物对蒙脱土细胞分裂和时程实验以阐明暴露于这些药物的最佳时间。这些都是很有启发性实验,试验和错误是必要的和应用的主要文学需要一个成功的实验。例如,初始的尝试在阐明MMT细胞的剂量响应这些抗增殖剂表明测试的浓度太高,因为没有内给药24小时100%的细胞死亡。文学的扩展审查导致治疗浓度的修订范围。这有效地教导学生如何使用文献数据库,阅读,分析和批判主要文献的文章,并强调这些技能是如何进行科学的过程是必不可少的。
剂量响应研究的结果表明,他莫昔芬表现出在所有测试浓度的最强的抗增殖作用。他莫昔芬,抗mitoti肝炎药物,是专门用来作为抗雌激素治疗的雌激素敏感的癌症,通常在绝经后,激素敏感患者 18-20。 该药物是目前使用作为乳腺癌的治疗。三苯氧胺竞争与雌激素对细胞内的雌激素受体和结合时,下调细胞周期蛋白D和B,细胞周期的两个重要的调节剂的表达。在活动中获得的结果表明,他莫昔芬成功结合到雌激素受体,并通过细胞周期抑制细胞的进展,导致所观察到的降低的细胞增殖。有趣的是,在整个给药他莫昔芬的所有浓度MMT细胞增殖率的降低揭示没有指示他莫昔芬的细胞抗性的,因为将根据文献中预期的(参见例如 19)。 这是一个很好的提醒, 在体外 条件,使实验进行不完全的模型 我 ñ体内的情况。
MMT细胞的姜黄素治疗还导致减少的细胞生存力。姜黄素是从姜黄根并作为细胞增殖抑制剂 12,16 衍生的化合物。它的工作原理是下调的NF-κB的途径和鸟氨酸脱羧酶(ODC)的活性。的NF-kappa B是蛋白质复合体,其控制的抗凋亡基因如TRAF1和TRAF2,其编码的蛋白质抑制凋亡的转录。 ODC是催化生产多胺,蛋白质,提供癌症细胞营养的,导致增强的细胞生长提高来源的酶。该药物是目前使用的作为乳腺癌的治疗。姜黄素的抗增殖作用清楚地表明,走在细胞信号传导途径,涉及的NF-kappa B和鸟氨酸脱羧酶的调控已经对细胞分裂的效果。
降低细胞活力,同样二甲双胍treatme观察NT。二甲双胍,一种药物通常给予II型糖尿病患者,被选中,是因为已发表 的报告表明谁采取二甲双胍和乳腺癌 15 的发生率较低的患者之间的相关性。据认为,该代理调制的c-MYC基因,从而下调的细胞周期蛋白D。上调细胞周期蛋白,充当细胞周期内检查点的分子的活性,允许细胞通过循环以更快的速度前进从而增加了细胞分裂和生长。上MMT细胞二甲双胍治疗的效果显示了c-myc基因的调节也导致下调细胞周期蛋白D和细胞分裂的减少。二甲双胍数据进一步举例说明怎样药物设计一个条件 - 在此情况下Diabetes-可以具有适合于其它异常生理事件的作用机制。另外,它强调的是,虽然他莫昔芬,姜黄素,和二甲双胍所有延迟的异常细胞prolif是重要通过不同的机制关合作,所有的成功降低细胞群,并干扰细胞分裂 体外 。
该模块还允许开放式探究在另一种药物,草药,或代理可以进行测试。阿司匹林,过度的非处方镇痛,解热,以及用于缓解轻度疼痛和退烧消炎药物被选为该模块中。阿司匹林的减轻炎症的能力可能抑制肿瘤生长通过减慢滋养他们新血管发展和干细胞助长其生长 11,13,14 干扰。有趣的是,阿司匹林MMT细胞的施用并导致细胞活力有所减少。鲜为人知的是,阿司匹林在预防和治疗癌症的作用,虽然很多相关的研究报告 13,14, 提供相关的病因与关系一个很好的例子。
时间当然研究表明,当在优化的剂量施用,所述抗增殖药物是在与细胞分裂4天内初始曝光的干扰非常有效。这些研究还提供了一个机会,让学生用他们制定的实验策略进行这些实验中,当得知MMT细胞的生长特性。事实上,彻底表征细胞的生长模式,倍增时间和MMT细胞的细胞一般形态是既准确剂量反应和时间进程数据至关重要。
两个剂量反应和时间过程研究确定药物浓度和曝光,分别时间,并在生物系统中的药物具有的效果之间的关系。这是一个很好的方式让学生思考分子间的相互作用等基本概念生物化学,同时进行询问驱动,研究活动。值得注意的是,由于许多BI易学专业计划参加医学院,本实验模块,非常符合中医学院要求 21 的新设立的变化。
如所述此实验室模块可以精确实现或可以容易地用作模板。主机变化可掺入此活动,如抗增殖剂的选择,细胞类型或养分修饰生长培养基中。只要一个假设开发,测试细胞或普通生物学基础和先进的理念,这个模块的排列是多不胜数。无论置换,本次活动的执行,自然引导学生学习大阵的实验室技术和熟悉各种设备和仪器仪表。
总之,这里所描述的实验模块,让学生充分参与科学的过程中,发展自己的能力,以获取,分析和图形再版ESENT数据,并磨练自己的时间管理和协作能力。该模块旨在促进开放式查询,很容易适应不同的课程安排和技能水平。应当指出的是,本文的前两个作者都是本科专业生物,清楚地表明,这个实验模块适用于人口。
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作者没有收到来自麦克奥迪财务或类似的支持 。
McIlrath, V., Trye, A., Aguanno, A. Using Mouse Mammary Tumor Cells to Teach Core Biology Concepts: A Simple Lab Module. J. Vis. Exp. (100), e52528, doi:10.3791/52528 (2015). … More
McIlrath, V., Trye, A., Aguanno, A. Using Mouse Mammary Tumor Cells to Teach Core Biology Concepts: A Simple Lab Module. J. Vis. Exp. (100), e52528, doi:10.3791/52528 (2015).
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