Bu çalışma, 3D beyin tümörü modellerinde, yani in vitro kültürde, in ovo modelinde ve in vivo murin modelinde uygulama için esnek interdigitated elektrotların geliştirilmesini açıklamaktadır. Önerilen yöntem, darbeli elektrik alanlarının farklı karmaşıklık seviyelerindeki tümörler üzerindeki etkilerini değerlendirmek için kullanılabilir.
Glioblastomun yüksek derecede invazivliği nedeniyle standart onkoloji tedavileri ile ortadan kaldırılması zordur. Darbeli elektrik alanlarına (PEF’ler) dayalı biyoelektrik tedaviler, tedavi verimliliğinin iyileştirilmesi için umut vericidir. Bununla birlikte, özellikle beyin gibi yumuşak dokularda akut ve kronik hasara neden olan sert elektrotlara güvenirler. Bu çalışmada PEF’lerin tümörlere iletilmesinde esnek elektronik kullanılmış ve floresan mikroskopi ile biyolojik yanıt değerlendirilmiştir. İnce, şeffaf bir parilene-C substratı üzerindeki interdigite altın elektrotlar, iletken polimer PEDOT: PSS ile kaplandı ve uyumlu ve biyouyumlu bir cihazla sonuçlandı. PEF’lerin tümörler ve mikro çevreleri üzerindeki etkileri çeşitli biyolojik modeller kullanılarak incelenmiştir. İlk olarak, glioblastoma hücrelerinin tek katmanları, in vitro fenomenleri araştırmak için elektrotların üstünde kültürlendi. Bir ara adım olarak, mühendislik tümör sferoidlerinin bir bıldırcınların embriyonik zarına aşılandığı bir in ovo modeli geliştirilmiştir. Bir bağışıklık sisteminin yokluğu nedeniyle, bu yüksek vaskülarize tümörlere yol açtı. Gelişimin bu erken aşamasında, embriyoların bağışıklık sistemi yoktur ve tümörler yabancı cisim olarak tanınmaz. Böylece, değerli bir 3D kanser modelini temsil eden mevcut embriyo vasküler sisteminden kendi damarlarını geliştirirken hızlı bir şekilde gelişebilirler. Son olarak, PEF’lerin esnek elektrot iletimi, fonksiyonel bir bağışıklık sistemine sahip tam bir organizmada, bir syngenic, ortogreft (intrakraniyal) fare modeli kullanılarak değerlendirildi. Tümör sferoidleri, esnek organik elektrot cihazlarının implantasyonundan önce transgenik multi-floresan farelerin beynine aşılandı. Kapalı bir kraniyal pencere, birkaç hafta boyunca PEF’lerle tedavi sırasında tümörün ve mikro ortamının çoklu foton görüntülemesini sağladı.
Glioblastoma multiforme (GBM) oldukça invaziv bir tümördür ve bu nedenle rezeksiyon, radyoterapi ve kemoterapi gibi standart tedavilerle ortadan kaldırılması zordur. Multimodal tedavilere rağmen prognoz çok kötüdür ve hastaların çoğu tanıdan sonraki 1 yıl içinde hastalık progresyonu yaşar 1,2. Son zamanlarda, biyoelektrik tedavilerin geliştirilmesi, mevcut tedavileri iyileştirmek için büyük bir potansiyel göstermiştir. Bu tedaviler, hücresel membran bütünlüğünü ve tümörlerin mikro ortamını bozmak için tipik olarak tek bir tedavi seansında darbeli elektrik alanlarının (PEF) verilmesini kullanır. Elektroporasyon olarak da bilinen bu hücre zarı bozulması, elektrik alan yoğunluğuna ve darbe sayısına bağlı olarak geri dönüşümlü veya geri dönüşümsüz olabilir. Geri dönüşümsüz elektroporasyon (IRE), elektrik darbelerinin hücre zarlarında ölümcül hasara neden olduğu ve hücre ölümüne yol açan termal olmayan bir doku ablasyon tekniği olarak uygulanır3. Geri dönüşümlü elektroporasyon, kanser hücrelerinde ilaç alımını arttırmak için kemoterapi ilaçlarıyla kombinasyon halinde PEF’lerin verilmesinden oluşan yerleşik bir teknik olan elektrokemoterapide (EKT) uygulanır4. Ayrıca, son zamanlarda yapılan çalışmalar, kanser tedavisi için yüksek verimliliğe sahip EKT’ye alternatif olarak kalsiyum elektroporasyonunu göstermiştir, bu da ucuzdur ve daha az yan etkiye neden olmaktadır5. Bu umut verici gelişmelere rağmen, PEF’ler genellikle yumuşak dokuya zarar verdiği bilinen sert, metalik elektrotlar kullanılarak uygulanır6. Beyin, mekanik uyumsuzluğun iltihaplanmaya ve astroglial yara izine neden olduğu bu tür istilacı cihazlara karşı özellikle hassastır7.
Bu bağlamda, mikrofabrikasyondan murin modeline kadar glioblastoma tümörlerinin 3D modelleri ile birlikte esnek bir PEF dağıtım sistemi sunulmaktadır. Konformal elektrotlar, parilen-C, altın ve PEDOT: PSS 8,9 gibi yumuşak ve biyouyumlu malzemelerin kullanımı da dahil olmak üzere standart ince film mikrofabrikasyon işlemleriyle yapılır. Elektrot parmakları arasında görüntüleme için yeterli şeffaflığı korurken geniş bir yüzey alanını kaplamak için ara basamaklı bir elektrot tasarımı kullanılır10. Tümör modeli için, genetik olarak kodlanmış bir floresan muhabirini ifade eden glioblastoma hücrelerinin 3D sferoidleri, sıvı kaplamalı 96 kuyucuklu plaka yöntemi11’in bir varyasyonu kullanılarak üretilir. Sferoidler, bir bıldırcın embriyosunun koryoallantoik zarına aşılanır ve anjiyogenez veya ilaç toksikolojisini incelemek için yaygın olarak kullanılan bir in ovo modeli ile sonuçlanır12,13. Tümörler, embriyonik gelişimin bu aşamasında bir bağışıklık sisteminin yokluğunda embriyonun vaskülatürü tarafından aşılanabilir ve vaskülarize edilebilir12. Esnek elektrotlar daha sonra PEF dağıtımının sferoid ve vaskülatürü üzerindeki etkisini incelemek için vaskülarize tümörün üzerine yerleştirilir. Son olarak, bu etkiler, tümör mikroçevresi ve bağışıklık sistemi de dahil olmak üzere tam bir canlı organizma üzerinde, mühendislik sferoidlerinin murin modellerinin beyin parankimine implante edilmesiyle araştırılmaktadır14. Esnek elektrotlar yerleştirme bölgesinin üstüne yerleştirilir ve kraniyotomi cam bir pencere ile kapatılır ve birkaç hafta boyunca tekrarlanan iki foton görüntülemeye izin verir.
Bu yöntemler, mikroelektronik mühendisliğinden onkoloji uygulamalarına kadar çeşitli alanlara ilgi duyan kişiler için yararlı olacaktır. Mikrofabrikasyon protokolü, PEDOT:PSS ile kaplanmış ince film metal elektrotlar gerektiren herhangi bir uygulama için kullanılabilir ve uyarlanabilir. Ayrıca, antitümör elektriksel tedavilerin değerlendirilmesi için geliştirilen biyolojik modeller, implante edilen materyallere hücresel, vasküler ve immün yanıtın farklılaşmasının araştırılması için genel ilgi çekici olacaktır.
Bu çalışmada açıklanan yaklaşım, PEF’lerin farklı biyolojik organizasyon seviyelerindeki etkisini incelemek için entegre bir PEF dağıtım sistemine sahip beyin tümörü modellerini mümkün kılmaktadır. Mikrofabrikasyon protokolü, belirli bir uygulamaya uyarlanabilen elektrot tasarımında büyük ölçüde özgürlük sağlayan standart ince film işlemlerinden oluşur. Bazen, imalat sırasında meydana gelen elektrotların bükülmesini azaltmak için imalatın sonunda ek bir termal tavlama adımı yararlı olabilir.
Bir floresan kalsiyum göstergesini ifade eden stabil bir glioblastoma hücre hattının kullanılması, özellikle çok yoğun olan 3D tümörlerde boya dağıtımı ve retansiyonu ile bağlantılı tüm komplikasyonları önler16. Gerçekten de, standart kimyasal floresan kalsiyum göstergelerine kıyasla uzun bir süre boyunca yüksek bir ekspresyon seviyesi gözlenir17. Bu protokol, nöral aktiviteyi görüntülemek için yaygın olarak kullanıldığı için çeşitli hücre hatlarına uygulanabilir11. Burada, insan ve murin hücre hatları kullanıldı (sırasıyla immün yetmezlikli veya immünkompetan farelerde implantasyon için U87 ve Gl261). Gerçekten de, son zamanlarda yapılan çalışmalar, U87 hücre hattının, orijinal hücrelerinkinden farklı olduğunu, çünkü hücre kültürünün yıllar boyunca birçok mutasyon edinildiğini ve deneysel üreme18’i etkilediğini göstermiştir. 3D tümörlerin hazırlanmasında kullanılan yöntem yüksek verimli, tekrarlanabilir ve hücre hattına, tohumlamadaki hücre sayısına ve büyüme zamanına bağlı olarak belirli bir boyutta sferoidlerin üretilmesine izin verir19. Bununla birlikte, bu sferoidler yoğundur ve bu da tümörün çekirdeğinde görüntüleme yaparken bir dezavantaj sunar.
In ovo modeli, PEF’in beyinde bulunan diğer hücre tipleriyle etkileşime girmeden 3D tümörler ve vaskülatürleri üzerindeki etkisini incelemek için ilk yaklaşım olarak yararlıdır. Bu model ucuz, hızlı, yüksek verimlidir ve hayvan modellerinden daha az etik sorun ortaya çıkarmaktadır. Tüm deney boyunca embriyonun bütünlüğünü korumak önemlidir, çünkü hayatta kalmasını ve görüntülemenin kalitesini etkileyebilir. Bıldırcın yumurtasını açarken embriyonik zarın zarar görmesini önlemek için özel dikkat gösterilmelidir. Greft ve esnek elektrotların yerleştirilmesi de embriyoyu öldürebilecek kanamayı önlemek için dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Kan damarlarına floresan boya enjeksiyonu, tümör hücrelerinin eşzamanlı olarak görselleştirilmesini ve floresan mikroskopi ile vaskülarizasyonu sağlar. Göz içi enjeksiyonu, embriyonik sıvıya boya sızmasını önlemek için dikkatli bir şekilde yapılmalıdır, bu da arka planda görüntülemenin kalitesini düşüren artık bir floresana neden olabilir. Bu model, dolaşım sistemine erişime izin verdiği için ilaç alımını takip etmek için de kullanılabilir. Bununla birlikte, deneyler embriyonun 12 günlük hayatta kalma süresi ile sınırlıdır, böylece in vivo model21’den önemli ölçüde daha kısa olan 7 günlük gözleme izin verilir.
İn vivo beyin tümörü modeli, hayvanlar ani% 20’lik bir kilo kaybı ile belirlenen etik bir deneysel son noktaya ulaşmadan önce 4 ila 5 hafta boyunca izlenebilir. İyi tolere edilir ve elektrotun bağlantı kuyruğu çok uzun değilse yerinde kalır. Aksi takdirde, hayvanlar nihayetinde yırtılabilecek çevirme konektörünü çizme eğilimindedir, bu nedenle uyarıcıya sonraki bağlantıyı önler. Bu 4 haftalık süre, glioblastoma gelişiminin farklı aşamalarını kapsayacak şekilde değerlidir. Aynı hacimdeki tümör hücre yoğunluklarını farklı zaman aralıklarında karşılaştırırken, tümör büyüme kinetiğinin evrimi gözlemlenebilir. Özellikle, bağışıklık anahtarı22 sırasında artmış tümör büyümesi gözlenmiştir. Uyarıcı bir elektrot varlığında yapılan benzer bir çalışma, PEF’in tümör proliferasyon hızı ve immün eliminasyona karşı tümör duyarlılığı üzerindeki etkisi hakkında bilgi verecektir. In ovo modeline kıyasla, in vivo model, bağışıklık hücrelerinin tümör progresyonu üzerindeki etkisini ve PEF’in terapötik etkisine katkılarını incelemek için değerli bir klinik öncesi model olarak görülebilir. Bu protokol, bir kraniyal pencere14 yerleştirmeden önce tümör üzerine esnek bir elektrot cihazının eklenmesiyle önceki bir makaleden uyarlanmıştır. Tümörlerin hem akut hem de kronik biyoelektrik tedavileri, ilk stimülasyonun hücre ölümünü indüklemesi ve immün yanıtın kalıcı düzensizliğini tetiklemesi beklendiği için iki foton mikroskobu ile doğrudan ve sonraki gözlemlerle karakterize edilebilir.
Esnek probun bağlantılarına iki foton mikroskobu altında kolayca erişilebilir. Bu nedenle, elektriksel stimülasyon parametreleri, bir tıp doktorunun hastasının MRI veya BT görüntülerini gözlemlerken girişimsel prosedürleri nasıl gerçekleştireceğine benzer şekilde, sinir dokusu ve / veya hedeflenen hücreler üzerinde gözlemlenen etkiye dayanarak gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir. Son bir husus, doku büyümesini önlemek için elektrotun beyindeki süper yapıştırıcı ve silikon yapıştırıcı ile dikkatli bir şekilde kapatılmasının önemidir.
Sonuç olarak, burada açıklanan protokol, glioblastoma tümör modelleri için esnek organik polimer elektrotlarla PEF tedavisinin etkisini incelemek için yenilikçi bir modeli temsil etmektedir. İki model, etki mekanizmalarının daha iyi anlaşılması için hücresel, vasküler veya bağışıklık etkilerinin ayrılabileceği şekilde farklı karmaşıklık seviyeleri sergiler. Uygun, yüzeysel elektrotlar iyatrojenik hasarı azaltırken, tümör mikroçevresinin bozulmasını sağlar, vazokonstriksiyonu tetikler veya hücre içi kalsiyum15’in düzensizliğini tetikler.
The authors have nothing to disclose.
Burada bildirilen çalışma Fransız Ulusal Araştırma Ajansı (ANR-18-CE19-0029) tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, kararlı bir GCaMP6f hücre hattının oluşturulmasına katkılarından dolayı SM Bardet’e ve in ovo modelindeki yardımı için D. O’Connor’a sıcak bir şekilde teşekkür eder.
(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 |