עבודה זו מתארת את הפיתוח של אלקטרודות בין-ספרתיות גמישות ליישום במודלים תלת-ממדיים של גידולי מוח, כלומר בתרבית חוץ גופית , במודל ovo ובמודל in vivo murine. השיטה המוצעת יכולה לשמש להערכת ההשפעות של פולסים חשמליים על גידולים ברמות שונות של מורכבות.
גליובלסטומה קשה למיגור עם טיפולים אונקולוגיים סטנדרטיים בשל רמת הפולשנות הגבוהה שלה. טיפולים ביואלקטריים המבוססים על פולסים חשמליים (PEFs) מבטיחים לשיפור יעילות הטיפול. עם זאת, הם מסתמכים על אלקטרודות קשיחות הגורמות נזק חריף וכרוני, במיוחד ברקמות רכות כגון המוח. בעבודה זו, נעשה שימוש באלקטרוניקה גמישה כדי להעביר PEFs לגידולים והתגובה הביולוגית הוערכה במיקרוסקופ פלואורסצנטי. אלקטרודות זהב משולבות על מצע פרילן-C דק ושקוף צופו בפולימר המוליך PEDOT:PSS, והתוצאה הייתה התקן תואם ותואם ביולוגית. ההשפעות של PEFs על גידולים ועל המיקרו-סביבה שלהם נבדקו באמצעות מודלים ביולוגיים שונים. ראשית, מונושכבות של תאי גליובלסטומה גודלו בתרבית על גבי האלקטרודות כדי לחקור תופעות במבחנה. כשלב ביניים, פותח מודל in ovo שבו הושתלו ספרואידים גידוליים מהונדסים בקרום העוברי של שליו. בשל היעדר מערכת חיסונית, זה הוביל לגידולים מאוד וסקולריים. בשלב מוקדם זה של ההתפתחות, לעוברים אין מערכת חיסונית, וגידולים אינם מוכרים כגופים זרים. לכן, הם יכולים להתפתח במהירות תוך פיתוח כלי הדם שלהם ממערכת כלי הדם העוברית הקיימת, המייצגת מודל סרטן תלת ממדי בעל ערך. לבסוף, אספקת אלקטרודות גמישה של PEFs הוערכה באורגניזם שלם עם מערכת חיסון פונקציונלית, באמצעות מודל עכבר סינגני, אורתוגרפט (תוך גולגולתי). ספרואידים סרטניים הושתלו במוחם של עכברים רב-פלואורסצנטיים טרנסגניים לפני השתלת מכשירי אלקטרודות אורגניים גמישים. חלון גולגולתי אטום איפשר הדמיה מולטיפוטונית של הגידול והמיקרו-סביבה שלו במהלך הטיפול ב-PEFs במשך תקופה של מספר שבועות.
גליובלסטומה מולטיפורמה (GBM) הוא גידול פולשני ביותר ולכן קשה למגר אותו באמצעות טיפולים סטנדרטיים כגון כריתה, הקרנות וכימותרפיה. למרות טיפולים רב-מודאליים, הפרוגנוזה נותרה גרועה מאוד ורוב החולים חווים התקדמות מחלה תוך שנה מהאבחנה 1,2. לאחרונה, פיתוח טיפולים ביואלקטריים הראה פוטנציאל גדול לשיפור הטיפולים הקיימים. טיפולים אלה משתמשים בהעברת פולסים חשמליים (PEF), בדרך כלל בפגישת טיפול אחת, כדי לשבש את שלמות קרום התא ואת המיקרו-סביבה של גידולים. הפרעה זו בקרום התא, הידועה גם בשם אלקטרופורציה, יכולה להיות הפיכה או בלתי הפיכה בהתאם לעוצמת השדה החשמלי ומספר הפולסים. אלקטרופורציה בלתי הפיכה (IRE) מיושמת כטכניקת אבלציה לא תרמית של רקמות שבה פולסים חשמליים גורמים נזק קטלני לקרומי התאים המוביל למוות תאי3. אלקטרופורציה הפיכה מיושמת באלקטרוכימותרפיה (ECT), טכניקה מבוססת הכוללת מתן PEFs בשילוב עם תרופות כימותרפיות כדי לשפר את ספיגת התרופות בתאים סרטניים4. יתר על כן, מחקרים אחרונים הדגימו אלקטרופורציה של סידן כחלופה לנזעי חשמל עם יעילות גבוהה לטיפול בסרטן, שהיא גם זולה וגורמת לפחות תופעות לוואי5. למרות ההתקדמות המבטיחה הזו, PEFs מיושמים בדרך כלל באמצעות אלקטרודות מתכתיות קשיחות אשר ידועות כגורמות נזק לרקמות רכות6. המוח רגיש במיוחד למכשירים פולשניים כאלה שבהם חוסר ההתאמה המכנית גורם לדלקת ולהצטלקות אסטרוגליאלית7.
בהקשר זה, מוצגת מערכת אספקת PEF גמישה בשילוב עם מודלים תלת ממדיים של גידולי גליובלסטומה, החל ממיקרו-פבריקציה ועד מודל מורין. אלקטרודות קונפורמיות מיוצרות בתהליכי מיקרו-ייצור סטנדרטיים של סרט דק, כולל שימוש בחומרים רכים ובעלי תאימות ביולוגית כגון parylene-C, זהב ו-PEDOT:PSS 8,9. עיצוב אלקטרודה בין-ספרתית משמש לכיסוי שטח פנים גדול תוך שמירה על שקיפות נאותה להדמיה בין אצבעות האלקטרודה10. עבור מודל הגידול, ספרואידים תלת-ממדיים של תאי גליובלסטומה המבטאים כתב פלואורסצנטי מקודד גנטית מיוצרים באמצעות וריאציה של שיטת צלחת 96 בארות כיסוי נוזלי11. הספרואידים מושתלים בקרום הכוריאואלנטואי של עובר שליו, וכתוצאה מכך מודל in ovo שנעשה בו שימוש נרחב לחקר אנגיוגנזה או טוקסיקולוגיה של תרופות12,13. גידולים יכולים להיות מושתלים וכלי דם על ידי כלי הדם של העובר בהיעדר מערכת חיסונית בשלב זה של התפתחות העובר12. אלקטרודות גמישות ממוקמות לאחר מכן על גבי הגידול הווסקולרי כדי לחקור את ההשפעה של העברת PEF על הספרואיד וכלי הדם שלו. לבסוף, השפעות אלה נחקרות על אורגניזם חי שלם, כולל מיקרו-סביבה של הגידול ומערכת החיסון, על ידי השתלת ספרואידים מהונדסים בפרנכימת המוח של מודלים מורינים14. אלקטרודות גמישות מונחות על גבי אתר ההחדרה והקרניוטומיה אטומה באמצעות חלון זכוכית, המאפשר הדמיה חוזרת ונשנית של שני פוטונים במשך מספר שבועות.
שיטות אלה יהיו שימושיות עבור אנשים המעוניינים בתחומים שונים, החל הנדסת מיקרואלקטרוניקה ליישומים אונקולוגיים. ניתן להשתמש בפרוטוקול המיקרו-פבריקציה ולהתאים אותו לכל יישום הדורש אלקטרודות מתכת דקות מצופות PEDOT:PSS. יתר על כן, המודלים הביולוגיים שפותחו להערכת טיפולים חשמליים נגד גידולים יהיו בעלי עניין כללי לחקר ההתמיינות של תגובה תאית, וסקולרית וחיסונית לחומרים מושתלים.
הגישה המתוארת בעבודה זו מאפשרת מודלים של גידולי מוח עם מערכת העברת PEF משולבת לחקור את ההשפעה של PEFs ברמות שונות של ארגון ביולוגי. פרוטוקול המיקרו-פבריקציה מורכב מתהליכים סטנדרטיים של סרט דק, המספקים מידה רבה של חופש בתכנון אלקטרודות שניתן להתאים ליישום הספציפי. לפעמים, שלב חישול תרמי נוסף יכול להיות שימושי בסוף הייצור, כדי להפחית את כיפוף האלקטרודות שהתרחש במהלך הייצור.
השימוש בקו תאי גליובלסטומה יציב המבטא אינדיקטור סידן פלואורסצנטי מונע את כל הסיבוכים הקשורים להעברת צבע ושמירתו, במיוחד בגידולים תלת ממדיים צפופים מאוד16. ואכן, רמת ביטוי גבוהה נצפתה לאורך תקופה ארוכה בהשוואה למדדי סידן פלואורסצנטיים כימיים סטנדרטיים17. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם על קווי תאים שונים, כפי שהוא משמש בדרך כלל עבור דימות פעילות עצבית11. כאן נעשה שימוש בקווי תאים אנושיים ומורין (U87 ו-Gl261 להשתלה בעכברים מדוכאי חיסון או מדוכאי חיסון, בהתאמה). ואכן, מחקרים אחרונים הראו כי קו התאים U87 שונה מזה של התאים המקוריים, שכן מוטציות רבות נרכשו במשך שנים של תרבית תאים, והשפיעו על שחזור ניסיוני18. השיטה המשמשת להכנת גידולים תלת ממדיים היא תפוקה גבוהה, ניתנת לשחזור, ומאפשרת יצירת ספרואידים בגודל מסוים בהתאם לקו התא, מספר התאים בעת הזריעה וזמן הצמיחה19. עם זאת, ספרואידים אלה צפופים, אשר מציג חסרון בעת הדמיה בליבת הגידול.
מודל in ovo שימושי כגישה ראשונה לחקר ההשפעה של PEF על גידולים תלת-ממדיים וכלי הדם שלהם, ללא אינטראקציות עם סוגי תאים אחרים הנמצאים במוח. מודל זה זול, מהיר, בעל תפוקה גבוהה ומעלה פחות סוגיות אתיות מאשר מודלים של בעלי חיים. חשוב לשמור על שלמות העובר לאורך כל הניסוי, שכן הדבר עלול להשפיע על הישרדותו ועל איכות ההדמיה. יש לנקוט בזהירות מיוחדת בעת פתיחת ביצת השליו, כדי למנוע נזקים לקרום העוברי. השתל ומיקום האלקטרודות הגמישות חייבים להתבצע גם הם בזהירות, כדי למנוע דימום שעלול להרוג את העובר. הזרקת צבע פלואורסצנטי בכלי הדם מאפשרת הדמיה בו זמנית של תאי הגידול וכלי הדם במיקרוסקופ פלואורסצנטי. ההזרקה התוך עינית חייבת להתבצע בזהירות כדי למנוע דליפת צבע לנוזל העוברי, מה שעלול לגרום לפלואורסצנטיות שיורית ברקע הפוגעת באיכות ההדמיה. מודל זה יכול לשמש גם למעקב אחר ספיגת סמים, שכן הוא מאפשר גישה למערכת הדם. עם זאת, הניסויים מוגבלים על ידי זמן ההישרדות של 12 ימים של העובר, ובכך מאפשרים 7 ימי תצפית, שהוא קצר משמעותית ממודל in vivo 21.
מודל גידול המוח in vivo יכול להיות מנוטר במשך 4 עד 5 שבועות לפני שבעלי חיים מגיעים לנקודת סיום ניסויית אתית שנקבעת על ידי ירידה פתאומית של 20% במשקל. זה נסבל היטב ונשאר במקום אם זנב החיבור של האלקטרודה אינו ארוך מדי. אחרת, בעלי חיים נוטים לשרוט את המחבר המתהפך, אשר עלול בסופו של דבר להיקרע, ובכך למנוע חיבור לאחר מכן למגרה. תקופה זו של 4 שבועות היא בכל זאת בעלת ערך כדי לכסות את השלבים השונים של התפתחות גליובלסטומה. כאשר משווים את צפיפות תאי הגידול באותו נפח של עניין במרווחי זמן שונים, ניתן לראות את האבולוציה של קינטיקה צמיחת הגידול. בפרט, צמיחה מוגברת של הגידול נצפתה בזמן המתג החיסוני22. מחקר דומה בנוכחות אלקטרודה מעוררת יידע על ההשפעה של PEF על קצב התפשטות הגידול ורגישות הגידול לסילוק מערכת החיסון. בהשוואה למודל in ovo , ניתן לראות את מודל in vivo כמודל פרה-קליני רב ערך לחקר ההשפעה של תאי מערכת החיסון על התקדמות הגידול ותרומתם להשפעה הטיפולית של PEF. פרוטוקול זה מותאם ממאמר קודם עם תוספת של מכשיר אלקטרודה גמיש על הגידול לפני הנחת חלון גולגולת14. הן הטיפולים הביואלקטריים החריפים והן הכרוניים של גידולים יכולים להיות מאופיינים בתצפיות ישירות ועוקבות במיקרוסקופ של שני פוטונים, בהתחשב בכך שהגירוי הראשוני צפוי לגרום למוות תאי ולעורר דיסרגולציה מתמשכת של התגובה החיסונית.
החיבורים של הגשושית הגמישה נגישים בקלות תחת מיקרוסקופ שני פוטונים. לפיכך, ניתן להתאים פרמטרים של גירוי חשמלי בזמן אמת בהתבסס על ההשפעה הנצפית על הרקמה העצבית ו / או תאי המטרה, בדומה לאופן שבו רופא היה מבצע הליכים התערבותיים תוך צפייה בתמונות MRI או CT של המטופל שלו. שיקול אחרון הוא החשיבות של איטום זהיר של האלקטרודה במוח עם דבק-על ודבק סיליקון כדי למנוע צמיחה מחודשת של רקמות.
לסיכום, הפרוטוקול המתואר כאן מייצג מודל חדשני לחקר ההשפעה של טיפול PEF עם אלקטרודות פולימר אורגני גמישות עבור מודלים של גידולי גליובלסטומה. שני המודלים מציגים רמות שונות של מורכבות, כך שניתן להפריד בין השפעות תאיות, וסקולריות או חיסוניות להבנה טובה יותר של מנגנוני הפעולה. אלקטרודות קונפורמיות ושטחיות מפחיתות את הנזק היאטרוגני תוך שהן מאפשרות שיבוש של המיקרו-סביבה של הגידול, מה שגורם להתכווצות כלי דם או חוסר ויסות של סידןתוך-תאי 15.
The authors have nothing to disclose.
העבודה המדווחת כאן נתמכה על ידי סוכנות המחקר הלאומית הצרפתית (ANR-18-CE19-0029). המחברים מודים בחום ל- S.M. Bardet על תרומתה ליצירת קו תאים יציב GCaMP6f ו- D. O’Connor על עזרתה במודל in ovo .
(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 |