Dit werk beschrijft de ontwikkeling van flexibele interdigitated elektroden voor implementatie in 3D hersentumormodellen, namelijk in vitro cultuur, in ovo model en in vivo murine model. De voorgestelde methode kan worden gebruikt om de effecten van gepulseerde elektrische velden op tumoren op verschillende niveaus van complexiteit te evalueren.
Glioblastoom is moeilijk uit te roeien met standaard oncologische therapieën vanwege de hoge mate van invasiviteit. Bio-elektrische behandelingen op basis van gepulseerde elektrische velden (PEF’s) zijn veelbelovend voor de verbetering van de behandelingsefficiëntie. Ze vertrouwen echter op stijve elektroden die acute en chronische schade veroorzaken, vooral in zachte weefsels zoals de hersenen. In dit werk werd flexibele elektronica gebruikt om PEF’s aan tumoren af te leveren en de biologische respons werd geëvalueerd met fluorescerende microscopie. Geinterdigiteerde gouden elektroden op een dun, transparant paryleen-C-substraat werden gecoat met het geleidende polymeer PEDOT:PSS, wat resulteerde in een conformeerbaar en biocompatibel apparaat. De effecten van PEF’s op tumoren en hun micro-omgeving werden onderzocht met behulp van verschillende biologische modellen. Eerst werden monolagen van glioblastoomcellen bovenop de elektroden gekweekt om verschijnselen in vitro te onderzoeken. Als tussenstap werd een in ovo-model ontwikkeld waarbij gemanipuleerde tumorsferoïden werden geënt in het embryonale membraan van een kwartel. Door de afwezigheid van een immuunsysteem leidde dit tot sterk gevasculariseerde tumoren. In dit vroege stadium van ontwikkeling hebben embryo’s geen immuunsysteem en worden tumoren niet herkend als vreemde lichamen. Zo kunnen ze zich snel ontwikkelen terwijl ze hun eigen bloedvaten ontwikkelen vanuit het bestaande embryovasculaire systeem, dat een waardevol 3D-kankermodel vertegenwoordigt. Ten slotte werd flexibele elektrodetoediening van PEF’s geëvalueerd in een compleet organisme met een functioneel immuunsysteem, met behulp van een syngene, orthograft (intracraniaal) muismodel. Tumorsferoïden werden geënt in de hersenen van transgene multi-fluorescerende muizen voorafgaand aan de implantatie van flexibele organische elektrode-apparaten. Een afgesloten schedelvenster maakte multifotonenbeeldvorming van de tumor en zijn micro-omgeving mogelijk tijdens de behandeling met PEF’s gedurende een periode van enkele weken.
Glioblastoma multiforme (GBM) is een zeer invasieve tumor en daarom moeilijk uit te roeien met standaardbehandelingen zoals resectie, radiotherapie en chemotherapie. Ondanks multimodale behandelingen blijft de prognose zeer slecht en ervaren de meeste patiënten ziekteprogressie binnen 1 jaar na diagnose 1,2. Onlangs heeft de ontwikkeling van bio-elektrische behandelingen een groot potentieel getoond om bestaande therapieën te verbeteren. Deze therapieën maken gebruik van de levering van gepulseerde elektrische velden (PEF), meestal in een enkele behandelingssessie, om de integriteit van het cellulaire membraan en de micro-omgeving van tumoren te verstoren. Deze celmembraanverstoring, ook bekend als elektroporatie, kan omkeerbaar of onomkeerbaar zijn, afhankelijk van de intensiteit van het elektrische veld en het aantal pulsen. Irreversibele elektroporatie (IRE) wordt toegepast als een niet-thermische weefselablatietechniek waarbij elektrische pulsen fatale schade aan celmembranen veroorzaken, wat leidt tot celdood3. Reversibele elektroporatie wordt toegepast in elektrochemotherapie (ECT), een gevestigde techniek die bestaat uit de toediening van PEF’s in combinatie met chemotherapiegeneesmiddelen om de opname van geneesmiddelen in kankercellen te verbeteren4. Bovendien toonden recente studies calciumelektroporatie aan als een alternatief voor ECT met een hoge efficiëntie voor de behandeling van kanker, wat ook goedkoop is en minder bijwerkingen veroorzaakt5. Ondanks deze veelbelovende vooruitgang worden PEF’s over het algemeen toegepast met behulp van stijve, metalen elektroden waarvan bekend is dat ze schade aan zacht weefsel veroorzaken6. De hersenen zijn bijzonder gevoelig voor dergelijke invasieve apparaten waarbij de mechanische mismatch ontstekingen en astrogliale littekens veroorzaakt7.
In deze context wordt een flexibel PEF-toedieningssysteem in combinatie met 3D-modellen van glioblastoomtumoren gepresenteerd, van microfabricage tot een muizenmodel. Conformale elektroden worden gemaakt met standaard dunne-film microfabricageprocessen, inclusief het gebruik van zachte en biocompatibele materialen zoals paryleen-C, goud en PEDOT:PSS 8,9. Een geïndigiteerd elektrodeontwerp wordt gebruikt om een groot oppervlak te bedekken met behoud van voldoende transparantie voor beeldvorming tussen de elektrodevingers10. Voor het tumormodel worden 3D-sferoïden van glioblastoomcellen die een genetisch gecodeerde fluorescentiereporter tot expressie brengen, geproduceerd met behulp van een variatie van de vloeistof-overlay 96-well plaatmethode11. De sferoïden worden geënt in het chorioallantoïsche membraan van een kwartelembryo, wat resulteert in een in ovo-model dat uitgebreid is gebruikt om angiogenese of medicijntoxicologie te bestuderen12,13. Tumoren kunnen worden geënt en gevasculariseerd door de vasculatuur van het embryo bij afwezigheid van een immuunsysteem in dit stadium van de embryonale ontwikkeling12. Flexibele elektroden worden vervolgens bovenop de gevasculariseerde tumor geplaatst om het effect van PEF-toediening op de sferoïde en zijn vasculatuur te bestuderen. Ten slotte worden deze effecten onderzocht op een compleet levend organisme, inclusief tumormicro-omgeving en immuunsysteem, door gemanipuleerde sferoïden te implanteren in het hersenparenchym van muizenmodellen14. Flexibele elektroden worden bovenop de inbrengplaats geplaatst en de craniotomie wordt afgesloten met een glazen venster, waardoor herhaalde beeldvorming van twee fotonen gedurende meerdere weken mogelijk is.
Deze methoden zullen nuttig zijn voor mensen die geïnteresseerd zijn in verschillende domeinen, variërend van micro-elektronica engineering tot oncologische toepassingen. Het microfabricageprotocol kan worden gebruikt en aangepast voor elke toepassing waarvoor dunne-film metaalelektroden vereist die zijn gecoat met PEDOT: PSS. Verder zullen de biologische modellen die zijn ontwikkeld voor de evaluatie van antitumor elektrische behandelingen van algemeen belang zijn voor het onderzoek naar de differentiatie van cellulaire, vasculaire en immuunrespons op geïmplanteerde materialen.
De in dit werk beschreven aanpak stelt hersentumormodellen met een geïntegreerd PEF-toedieningssysteem in staat om het effect van PEF’s op verschillende niveaus van biologische organisatie te bestuderen. Het microfabricageprotocol bestaat uit standaard dunnefilmprocessen, die een grote mate van vrijheid bieden in het elektrodeontwerp dat kan worden aangepast aan de specifieke toepassing. Soms kan een extra thermische gloeistap nuttig zijn aan het einde van de fabricage, om het buigen van de elektroden tijdens de productie te verminderen.
Het gebruik van een stabiele glioblastoomcellijn die een fluorescerende calciumindicator tot expressie brengt, vermijdt alle complicaties die verband houden met de afgifte en retentie van kleurstoffen, vooral in 3D-tumoren die zeer dicht zijn16. Inderdaad, een hoog expressieniveau wordt waargenomen over een lange periode in vergelijking met standaard chemische fluorescerende calciumindicatoren17. Dit protocol kan worden toegepast op verschillende cellijnen, omdat het vaak wordt gebruikt voor het afbeelden van neurale activiteit11. Hier werden menselijke en muizencellijnen gebruikt (U87 en Gl261 voor implantatie in respectievelijk immunodeficiënte of immunocompetente muizen). Recente studies toonden inderdaad aan dat de U87-cellijn verschilt van die van de oorspronkelijke cellen, omdat veel mutaties werden verworven gedurende jaren van celkweek, waardoor experimentele reproduceerbaarheid18 werd beïnvloed. De methode die wordt gebruikt voor de bereiding van 3D-tumoren is met een hoge doorvoer, reproduceerbaar en maakt het mogelijk om sferoïden van een specifieke grootte te genereren, afhankelijk van de cellijn, het aantal cellen bij het zaaien en de tijd van groei19. Deze sferoïden zijn echter dicht, wat een nadeel oplevert bij het beeldvorming in de kern van de tumor.
Het in ovo-model is nuttig als eerste benadering om het effect van PEF op 3D-tumoren en hun vasculatuur te bestuderen, zonder interacties met andere celtypen die in de hersenen aanwezig zijn. Dit model is goedkoop, snel, high-throughput en roept minder ethische vragen op dan diermodellen. Het is belangrijk om de integriteit van het embryo gedurende het hele experiment te behouden, omdat dit de overleving en de kwaliteit van de beeldvorming kan beïnvloeden. Speciale zorg moet worden genomen bij het openen van het kwarteleit, om schade aan het embryonale membraan te voorkomen. Het transplantaat en de plaatsing van de flexibele elektroden moeten ook zorgvuldig worden uitgevoerd om bloedingen te voorkomen die het embryo zouden kunnen doden. Injectie van fluorescerende kleurstof in de bloedvaten maakt gelijktijdige visualisatie van de tumorcellen en vascularisatie met fluorescentiemicroscopie mogelijk. De intraoculaire injectie moet zorgvuldig worden uitgevoerd om te voorkomen dat kleurstof in de embryonale vloeistof lekt, wat een resterende fluorescentie op de achtergrond kan veroorzaken die de kwaliteit van de beeldvorming verslechtert. Dit model kan ook worden gebruikt voor het volgen van medicijnopname, omdat het toegang geeft tot de bloedsomloop. Experimenten worden echter beperkt door de 12-daagse overlevingstijd van het embryo, waardoor 7 dagen observatie mogelijk is, wat aanzienlijk korter is dan het in vivo model21.
Het in vivo hersentumormodel kan gedurende 4 tot 5 weken worden gevolgd voordat dieren een ethisch experimenteel eindpunt bereiken dat wordt bepaald door een plotseling gewichtsverlies van 20%. Het wordt goed verdragen en blijft op zijn plaats als de verbindingsstaart van de elektrode niet te lang is. Anders hebben dieren de neiging om de omdraaiende connector te krassen, die uiteindelijk kan worden gescheurd, waardoor een latere verbinding met de stimulator wordt voorkomen. Deze periode van 4 weken is niettemin waardevol om de verschillende stadia van de ontwikkeling van glioblastoom te dekken. Bij het vergelijken van de tumorceldichtheden in hetzelfde volume van belang op verschillende tijdsintervallen, kan de evolutie van de tumorgroeikinetiek worden waargenomen. In het bijzonder werd een verhoogde tumorgroei waargenomen op het moment van de immuunschakelaar22. Een soortgelijke studie in aanwezigheid van een stimulerende elektrode zou informatie verstrekken over het effect van PEF op de proliferatiesnelheid van tumoren en de gevoeligheid van de tumor voor immuun-eliminatie. In vergelijking met het in ovo-model kan het in vivo-model worden gezien als een waardevol preklinisch model om de impact van immuuncellen op tumorprogressie en hun bijdrage aan het therapeutische effect van PEF te bestuderen. Dit protocol is aangepast van een vorig artikel met de toevoeging van een flexibel elektrode-apparaat op de tumor voordat een schedelvenster wordt geplaatst14. Zowel de acute als chronische bio-elektrische behandelingen van tumoren kunnen worden gekenmerkt door directe en daaropvolgende observaties met twee-fotonenmicroscopie, aangezien initiële stimulatie naar verwachting celdood zal induceren en blijvende ontregeling van de immuunrespons zal veroorzaken.
De aansluitingen van de flexibele sonde zijn gemakkelijk toegankelijk onder de twee-foton microscoop. Elektrische stimulatieparameters kunnen dus in realtime worden aangepast op basis van het waargenomen effect op het neurale weefsel en / of de beoogde cellen, vergelijkbaar met hoe een arts interventionele procedures zou uitvoeren tijdens het observeren van MRI- of CT-beelden van zijn patiënt. Een laatste overweging is het belang van zorgvuldige afdichting van de elektrode op de hersenen met secondelijm en siliconenlijm om weefselhergroei te voorkomen.
Kortom, het hier beschreven protocol vertegenwoordigt een innovatief model om het effect van PEF-therapie met flexibele organische polymeerelektroden voor glioblastoomtumormodellen te bestuderen. De twee modellen vertonen verschillende niveaus van complexiteit, zodat cellulaire, vasculaire of immuuneffecten kunnen worden gescheiden voor een beter begrip van de werkingsmechanismen. Conformale, oppervlakkige elektroden verminderen de iatrogene schade terwijl ze verstoring van de micro-omgeving van de tumor mogelijk maken, waardoor vasoconstrictie of ontregeling van intracellulair calcium15 wordt veroorzaakt.
The authors have nothing to disclose.
Het hier gerapporteerde werk werd ondersteund door het Franse Nationale Onderzoeksbureau (ANR-18-CE19-0029). De auteurs bedanken S.M. Bardet hartelijk voor haar bijdrage aan het genereren van een stabiele GCaMP6f cellijn en D. O’Connor voor haar hulp bij het in ovo model.
(3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane | Sigma | 440167 | GOPS |
0.25% Trypsin-EDTA (1X) | Gibco | 25200-056 | |
4-Dodecylbenzenesulfonic acid | Sigma | 44198 | DBSA |
96-well plate | Falcon | 353075 | |
Acetone | Technic | 530 | |
Acrylic resin | Fischer scientific | NC1455685 | |
agarose | Sigma | A9539 | |
autoclave | Tuttnauer | 3150 EL | |
AZ 10XT | Microchemicals | Positive photoresist | |
AZ 826 MIF Developer | Merck | 10056124960 | Metal-ion-free developer for the negative photoresist |
AZ Developer | Merck | 10054224960 | Metal-ion-free developer for the positive photoresist |
AZ nLof 2070 | Microchemicals | Negative photoresist | |
Buprenorphine | Axience | ||
Carprofen | Rimadyl | ||
Centrifuge Sorvall Legend X1R | Thermo Scientific | 75004260 | |
CMOS camera Prime 95B | Photometrics | ||
CO2 incubator HERAcell 150i | Thermo scientific | ||
DAC board | National Instruments | USB 6259 | |
Déco spray Pébéo | Cultura | 3167860937307 | Black acrylic paint |
Dextran Texas Red 70.000 | Thermofisher | D1830 | |
Die bonding paste "Epinal" | Hitachi | EN-4900GC | Silver paste |
Dimethyl sulfoxide | Sigma | D2438 | |
Dispensing machine | Tianhao | TH-2004C | |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium + GlutaMAX™-I | Gibco | 10567-014 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium | Sigma | D6429 | |
Egg incubator COUVAD'OR 160 | lafermedemanon.com | ||
Ethylene glycol | Carl Roth | 6881.1 | |
Fertilized eggs of Japanese quail | Japocaille | ||
Fetal Bovine Serum | VWR | S181BH | |
Flask | Greiner | 658170 | |
Fluorescence macroscope | Leica MZFLIII | ||
Gl261 | DSMZ | ACC 802 | |
Gold pellets – Dia 3 mm x 6 mm th | Neyco | ||
Handheld automated cell counter | Millipore | PHCC00000 | |
Heating and drying oven | Memmert | UF110 | |
Hexadimethrine Bromide Sequa-brene | Sigma | S2667 | |
hot plate Delta 6 HP 350 | Süss Microtec | ||
Illumination system pE-4000 | CoolLed | ||
Infrared tunable femtosecond laser (Maï-Taï) | Spectra Physics (USA) | ||
Ionomycin calcium salt | Sigma | I3909 | |
Kapton tape SCOTCH 92 33×19 | 3M | Polyimide protection tape | |
Lab made pulse generator | |||
Labcoter 2 Parylene Deposition system PDS 2010 | SCS | ||
Lenti-X 293 T cell line | Takara Bio | 63218 | HEK 293T-derived cell line optimized for lentivirus production |
Lenti-X GoStix Plus | Takara Bio | 631280 | Quantitative lentiviral titer test |
Mask aligner MJB4 | Süss Microtec | ||
Micro-90 Concentrated cleaning solution | International Products | M9050-12 | |
Microscope slides 76 x 52 x 1 mm | Marienfeld | 1100420 | |
Needles 30G | BD Microlance 3 | 304000 | |
PalmSens4 potentiostat | PalmSens | ||
parylene-c : dichloro-p-cyclophane | SCS | 300073 | |
PCB Processing Tanks | Mega Electronics | PA104 | |
PEDOT:PSS Clevios PH 1000 | Heraeus | ||
penicillin / streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
Petri dish | Falcon | 351029 | |
pGP-CMV-GCaMP6f | Addgene | 40755 | plasmid |
Phosphate Buffer Saline solution | Thermofisher | D8537 | |
Plasma treatment system PE-100 | Plasma Etch | ||
PlasmaLab 80 Reactive Ion Etcher | Oxford Instruments | ||
Plastic mask | Selba | ||
Plastic weigh boat 64 x 51 x 19 mm | VWR | 10770-454 | |
Poly-dimethylsiloxane: SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | Dow chemicals | 1673921 | |
Polyimide copper film 60 µm (Kapton) | Goodfellow | IM301522 | |
Propan-2-ol | Technic | 574 | |
Protolaser S | LPKF | ||
puromycin | Gibco | A11103 | |
Round cover glass 5 mm diameter | Fischer scientific | 50-949-439 | |
Scepter Sensors – 60 µm | Millipore | PHCC60050 | |
Silicone adhesive Kwik-Sil | World Precision Instruments | ||
spin coater | Süss Microtec | ||
Spin Coater | Laurell | WS-650 | |
Super glue | Office depot | ||
tetracycline-free fœtal bovine Serum | Takara Bio | 631105 | |
Thermal evaporator Auto 500 | Boc Edwards | ||
Two-photon microscope | Zeiss LSM 7MP | ||
U87-MG | ATCC | HTB-14 | Human glioblastoma cells |
Ultrasonic cleaner | VWR | ||
Vortex VTX-3000L | LMS | VTX100323410 | |
Xfect single shots reagent | Takara Bio | 631447 | Transfection reagent |