En el siguiente trabajo, describimos los pasos consecutivos necesarios para el establecimiento de un gran biobanco de cáncer colorrectal y pancreático.
A la luz del creciente conocimiento sobre las propiedades inter-individuales y la heterogeneidad de los cánceres, el campo emergente de la medicina personalizada requiere una plataforma para la investigación preclínica. En los últimos años, hemos establecido un biobanco de cánceres colorrectal y pancreático compuesto por tejido tumoral primario, tejido normal, sera, linfocitos sanguíneos periféricos aislados (PBL), xenoinjertos derivados del paciente (PDX), así como líneas celulares de cáncer primaria y secundaria. Dado que el tejido tumoral original es limitado y la tasa de establecimiento de líneas celulares primarias contra el cáncer sigue siendo relativamente baja, PDX permite no sólo la preservación y extensión del biobanco, sino también la generación de líneas celulares secundarias contra el cáncer. Además, se ha demostrado que los modelos PDX son el modelo in vivo ideal para las pruebas preclínicas de drogas. Sin embargo, el biobanco requiere una preparación cuidadosa, directrices estrictas y una infraestructura bien sintonizada. Colectomía, duodenopancreatoctomía o metástasis resecadas se recogen inmediatamente después de la resección y se transfieren al departamento de patología. Respetando la prioridad de un informe histopatológico imparcial, a discreción del patólogo asistente que lleva a cabo las disecciones, se cosechan pequeñas piezas tumorales y tejido no tumoral.
Las partes necróticas se desechan y el tejido tumoral restante se corta en cubos pequeños e idénticos y se criopreserva para su uso posterior. Además, una pequeña porción del tumor se extrae y se tensa para el cultivo primario de células cancerosas. Además, las muestras de sangre extraídas del paciente de forma pre y postoperatoria, se procesan para obtener suero y PBLs. Para el enjerftment PDX, los especímenes criopreservados se descongelan e implantan subcutáneamente en los flancos de ratones inmunodeficientes. El PDX resultante recapitular estrechamente la histología de los tumores “donantes” y se puede utilizar para el xenoinjerto posterior o criopreservado para su uso posterior. En el siguiente trabajo, describimos los pasos individuales de creación, mantenimiento y administración de un gran biobanco de cáncer colorrectal y pancreático. Además, destacamos los detalles y advertencias cruciales asociados con el biobanco.
En los últimos años, el conocimiento acumulado de las propiedades morfológicas, clínicas y genéticas de los cánceres condujo a la concepción del cáncer como una enfermedad heterogénea, individual. En consecuencia, la caracterización mutacional de los neoplasias, además de las características clínicas y patológicas, ha cobrado importancia para la toma de decisiones clínicas y se desarrollaron muchas terapias dirigidas para diversas alteraciones moleculares. Por ejemplo, la eficacia del cetuximab en el tratamiento del cáncer colorrectal puede predecirse mediante el análisis del KRAS y pik3CA estado mutacional1. La medicina de precisión tiene como objetivo un enfoque personalizado para proporcionar la respuesta de tratamiento más alta en cada paciente y evitar la toxicidad de las terapias ineficaces2. Los biobancos contienen tejidos, sangre y otros materiales biológicos de pacientes con cáncer, que están vinculados a los datos clínicos, y por lo tanto son una excelente herramienta para la investigación traslacional del cáncer. Debido al gran número de muestras clínicas, los biobancos permiten la detección de mutaciones raras, pero potencialmente farmacológicas, lo que proporciona nuevas oportunidades de tratamiento para el paciente individual3.
Para cubrir lo más amplio posible un espectro de investigación oncológica, no limitamos nuestra actividad solo en la recolección de muestras, sino que nos centramos en el establecimiento de líneas celulares de cáncer derivadas del paciente y xenoinjertos (PDX). Las líneas celulares 2D tradicionales siguen siendo la piedra angular de la investigación in vitro y son la opción principal para los exámenes de drogas a gran escala4,5. Además, el análisis de líneas celulares es a menudo más fácil, más barato y más fácilmente disponible. Además, puesto que existen linfocitos sanguíneos periféricos derivados del paciente (PBL), también se puede estudiar inmunología tumoral in vitro6. Sin embargo, la mayoría de los fármacos recientemente desarrollados con una efectoividad preclínica prometedora en experimentos in vitro o in vivo basados en células, han mostrado resultados decepcionantes en los ensayos clínicos7. Por el contrario, los estudios preclínicos basados en estudios in vivo de PDX han reflejado la actividad clínica de los agentes antineoplásicos mucho más fielmente8. Dado que el tejido PDX refleja de cerca las propiedades histológicas y moleculares del tumor del donante, los modelos PDX son una buena manera de propagar las cantidades a menudo muy limitadas de tejido tumoral viable para mantener la integridad de un biobanco y permitir el intercambio de muestras entre grupos de investigación e instituciones. Además, las líneas celulares cancerosas derivadas del tejido PDX se pueden establecer significativamente más fáciles que las líneas celulares primarias de cáncer9. En los últimos años, nuestro grupo de trabajo ha establecido un biobanco integrado integral de cáncer colorrectal y pancreático mediante la estandarización escalonada y la optimización del flujo de trabajo para todas las muestras biológicas en cuestión (Figura 1).
Figura 1: Flujo de trabajo y organización del biobanco Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La generación de un biobanco vivo presupone, además de cumplir con las regulaciones legales de privacidad, derecho médico y bienestar animal, una buena infraestructura y un equipo bien coordinado. Ha demostrado ser ventajoso involucrar directamente a una parte del personal quirúrgico en los procedimientos de investigación, ya que pueden evaluar muy bien la idoneidad del paciente individual para la donación de tejidos. Además, los pacientes tienden a dar su consentimiento con más frecuencia con el biobanco, cuando su aprobación por escrito se obtiene en el transcurso de la discusión de consentimiento informado quirúrgico. Para ahorrar tiempo y recursos, no se deben seleccionar casos que presumiblemente produzcan cantidades insuficientes de tejido tumoral para el biobanco. Cuando se trata de la adquisición de especímenes, la máxima “la comunicación es clave” es una verdad simple, pero a menudo pasada por alto. Sólo se necesita una sola enfermera de teatro no informada o colega quirúrgico para arruinar el espécimen justo al principio procediendo como de costumbre y añadiendo formaldehído al espécimen de resección. Por lo tanto, es absolutamente crucial que todos y cada uno de los miembros del personal involucrado se familiaricen con el PSOE para el biobanco. Los cirujanos deben ser notados el día antes y justo al comienzo del procedimiento sobre la recolección programada de tejidos. Además, los casos seleccionados para la biobanco deben destacarse en el plan electrónico de quirófano. La recolección de tejidos a partir de la muestra quirúrgica debe ser realizada por un patólogo. En primer lugar, esto garantizará que la recolección de tejidos no interfiera con el informe patológico final. En segundo lugar, esto aumenta la probabilidad de recibir tejido con cantidades adecuadas de tejido canceroso viable. Especialmente en los cánceres de páncreas con una reacción desmoplástica pronunciada y áreas necróticas frecuentes, las partes viables son difíciles de identificar macroscópicamente para el ojo no entrenado. Como excepción a esta regla, los bloques de tejido de grandes metástasis hepáticas o pulmonales, a veces pueden ser exculpados “back-table” por el cirujano, si los márgenes quirúrgicos se pueden definir macroscópicamente. Es posible que el cáncer rectal resecado por la escisión mesorectal total (TME), no sea adecuado para el biobanco, ya que la recolección de tejidos del espécimen resecado antes de la incrustación de parafina podría interferir con la evaluación de la calidad de las TME. Alternativamente, el tejido para biobanco puede ser adquirido por biopsia transanal de cáncer rectal.
Las tasas de establecimiento de cultivos celulares primarios derivados del tumor original son generalmente bajas. Es más probable que se puedan establecer con éxito cultivos celulares secundarios derivados de PDX. Recomendamos pruebas de diferentes medios para cada caso y el uso de suplementos antibióticos para los primeros pasajes para reducir la contaminación al mínimo ya que el tejido cosechado rara vez es estéril. Después de una propagación exitosa, cada línea celular individual debe ser confirmada como una línea de células cancerosas mediante análisis FACS y pruebas periódicas para detectar la contaminación por micoplasma. Para excluir la contaminación cruzada, se recomienda un análisis regular de STR. Cabe señalar, que el protocolo de establecimiento para las líneas celulares primarias y secundarias se somete constantemente a la optimización. Los detalles relativos a la composición y las tasas de éxito de los medios únicos están claramente fuera del alcance de esta obra y se publicarán por separado.
Para el injerto PDX, el tejido tumoral se puede implantar directamente después de la resección o criopreservado en suero calve fetal con UN 10% de DMSO o medios de congelación similares para una implantación retardada. La implantación inmediatamente después de la recolección del tejido tumoral pone una tensión en el personal de logística y laboratorio, y los resultados de xenoinjertos después de la criopreservación no son inferiores en absoluto a 10. Además, la incubación del tejido en Matrigel antes de la implantación tumoral, aumenta significativamente las tasas de enjerftment12. Recomendamos retrasar el enjerftment tras el hallazgo patológico definitivo y la eliminación inmediata de especímenes de tejido recogidos erróneamente. Dado que la tasa de éxito del enjerftment primario aumenta con la inmunodeficiencia del ratón receptor, tendemos a utilizar ratones NSG para el primer paso PDX. Después del primer enjerftment PDX exitoso, los ratonesNMRI nu/nu pueden y deben utilizarse para pasajes posteriores y expansión de tejidos. Esta variedad es más robusta, más barata y más fácil de reproducir en comparación con NSG o cepas inmunodeficientes similares, pero todavía muestra tasas de enjertado razonables. Además, su desnudo facilita la implantación y el seguimiento del crecimiento tumoral. Para aumentar las tasas de enjertado en pasajes posteriores, recomendamos la transferencia directa de tejidos PDX recién cosechados a ratones anfitriones siempre que sea posible, especialmente para pdx de crecimiento lento y casos con una baja tasa de éxito de enjerftment primario. Collins y Lang revisaron recientemente 14 estudios de establecimiento colorrectal de PDX y reportaron tasas de arraigamiento que oscilan entre el 14 y el 100% con una tasa media de establecimiento pdx del 68%, siendo estos últimos consistentes con nuestros hallazgos13. En línea con la literatura, observamos menores tasas de establecimiento de páncreas en comparación con el cáncer colorrectal PDX14. Independientemente de la cepa del ratón huésped y la entidad tumoral, el crecimiento de linfomas de células B asociados al Virus Epstein-Barr (EBV) y linfomas murinos en el lado de la implantación plantea un escollo importante15,16. Si no se reconocen, estos tumores pueden “contaminar” pasajes posteriores y, por lo tanto, confundir resultados consecutivos. El crecimiento rápido inusual de PDX y la hinchazón de los ganglios linfáticos cervicales, axilares e inguinales son indicadores sólidos del crecimiento del linfoma murino, pero el examen histológico regular de PDX es, sin embargo, aconsejable. Además, la concordancia genética entre PDX y el paciente donante correspondiente debe hacerse la prueba periódica mediante análisis STR. Idealmente, el biobanco debe estar vinculado a una base de datos clínica que comprende las características de los pacientes (información general, supervivencia, supervivencia libre de recaídas, terapia, neoplasia secundaria, etc.). Debido a las regulaciones legales de protección de la privacidad y la falta de una base de datos anonymizada, nuestro conjunto de datos clínicos es administrado y actualizado regularmente manualmente por los médicos cooperantes.
Mientras que los biobancos convencionales se limitan a la investigación del observatorio, un biobanco vivo ofrece la oportunidad de intervenciones in vitro e in vivo. Las líneas celulares derivadas del paciente son una herramienta importante para la investigación fundamental, los exámenes farmacológicos de alto rendimiento y la evaluación de los nuevos agentes farmacéuticos4. Los modelos PDX correspondientes, sin embargo, son de creciente importancia, ya que recapitularán de cerca la histología del tumor original17,18 y muestran una alta estabilidad genética sobre varios pasajes19,20. Nuestro biobanco PDX ha demostrado ser una excelente plataforma para la investigación preclínica y fundamental6,21. Además, dado que las grandes colecciones de PDX reflejan adecuadamente la heterogeneidad inter-individual de la población del paciente, el enfoque del ensayo clínico PDX (PCT) (un animal por modelo por tratamiento) ha cobrado importancia para el desarrollo de fármacos, ya que permite la fiel predicción de la respuesta clínica a nuevos fármacos y al régimen combinatorio8. También estamos evaluando nuevos fármacos experimentales en pequeños ensayos de PCT.
A pesar de estos prometedores resultados, la mediana de duración del establecimiento de 12,2 meses, impide la aplicabilidad clínica de los modelos PDX como “ratones avatar” para probar las opciones de tratamiento anticancerígeno, al menos para aquellos pacientes que necesitan un adyuvante inmediato o incluso tratamiento neoadjuvante22. Una desventaja adicional de los modelos PDX estándar es la falta de usabilidad para las pruebas de inmunoterapia debido a la inmunodeficiencia de los ratones anfitriones. Para superar estas limitaciones, se han desarrollado varias cepas de ratón “humanizadas”. Estos ratones están muy inmunodeprimidos, pero pueden ser reconstituidos con varios tipos de células derivadas de la médula ósea humana o células madre hematopoyéticas CD34+ posteriores al crecimiento de PDX23,permitiendo la evaluación de la citotoxicidad mediada por linfocitos y de la respuesta terapéutica al tratamiento inhibidor del punto de control inmune24,25.
En los últimos años, los organoides derivados del paciente (DOP) surgieron como importantes modelos oncológicos que compiten con PDX. Derivadas de piezas tumorales intactas y cultivadas en un andamio de matriz extracelular, estas estructuras tridimensionales reflejan de cerca las propiedades histológicas y genéticas del tumor original. La posibilidad de expansión y criopreservación a largo plazo hace de la DOP un suplemento ideal de un biobanco vivo26,27. Además de una tasa de establecimiento relativamente alta, se ha notificado una predicción fiable de la respuesta a fármacos para la DOP de varias entidades tumorales28. Además, incluso se han generado PDA a partir de células tumorales circulantes y también es posible el establecimiento simultáneo de organoides a partir del tejido sano correspondiente, permitiendo la evaluación de la toxicidad relacionada con el tratamiento de forma individual del paciente29,30. Sin embargo, en comparación con los cultivos celulares 2D convencionales, el cultivo organoide es lento y consume recursos y compuestos de matriz extracelular artificial pueden interferir con ciertos procedimientos analíticos31. Además, los organoides oncológicos son susceptibles al crecimiento excesivo por organoides no malignos de crecimiento más rápido derivados del epitelio saludable30. Debido a la falta de estroma, vasos sanguíneos y células inmunes, las PDA son en su mayoría inaplicables para la prueba de agentes inmunoterapéuticos antiangiogénicos. Sin embargo, los nuevos métodos de cultivo permiten el modelado del microambiente tumoral in vitro,convirtiendo a los PDA en un verdadero contendiente para los modelos32de PDX. En un futuro próximo, los modelos de tumores individuales para pacientes, combinados con potentes herramientas genéticas como la secuenciación de próxima generación, con suerte allanarán el camino hacia la verdadera medicina de precisión y enfoques de tratamiento personalizado.
The authors have nothing to disclose.
Reconocemos amablemente a Jenny Burmeister, nuestra asistente gráfica, por la grabación y edición del video. Además, agradecemos a nuestros colegas del departamento quirúrgico y patológico la colaboración de larga data. También queremos dar las gracias a Marcus Müller, director de producción del Centro de TI y Medios de la Universidad de Rostock, por suministrar el equipo de grabación de audio y refinar la calidad del sonido.
FINANCIACIÓN: La Fundación Alemana de Ayuda contra el Cáncer (DKH e.V.), número de subvención 108446, y el número de subvención TBI-V-1-241-VBW-084 del estado Mecklemburgo-Vorpommern financiaron parcialmente esta investigación.
Bacillol® AF; 1L | Bode, Hartmann | REF 973380 | desinfection |
PP centrifuge tube, 15ml; sterile | Greiner Bio One | GBO Cat. No.:188271 | centrifuge tube |
PP centrifuge tube, 50ml, sterile | Sarstedt | Order number: 62.547.254 | centrifuge tube |
BD DiscarditTM II Syringe 20ml | BD | REF 300296 | blood collection |
Serum 7,5ml Sarstedt Monovette | Sarstedt | Item number: 01.1601 | blood collection |
serological Pipette 10ml | Sarstedt | REF 86.1254.001 | liquid transfer |
Pipetboy ratiolab® accupetta | Ratiolab | Item number: RL3200300 | liquid transfer |
PIPETBOY acu 2 | Integra Biosciences | VWR Cat.No: 613-4438 | liquid transfer |
DPBS; w/o Ca & Mg | Pan Biotech | Cat. No.: P04-36500 | washing |
Pancoll human | Pan Biotech | Cat. No.: P04-60500 | density gradient centrifugation |
DMEM/F12 (Dulbecco’s Modified Eagle Medium) | PAN Biotech | Cat. No.: P04-41500 | cell cultivation |
FBS Good Forte (Filtrated Bovine Serum) | PAN Biotech | Cat. No.: P40-47500 | cell cultivation |
L-Glutamine 200mM | PAN Biotech | Cat. No.: P04-80100 | cell cultivation |
Trypsin / EDTA | PAN Biotech | Cat. No.: P10-023100 | cell cultivation |
DMSO (Dimethyl Sulfoxid for cell culture) | PanReac AppliChem | VWR Cat.No: A3672.0250 | cell freezing |
Freezer Medium (FCS with 10% DMSO) | selfmade | — | cell freezing |
cryotube- CryoPure 2ml | Sarstedt | 72380 | cell freezing |
6-Well cell culture plate; steril; with lid | Greiner bio-one | Cat.-No.: 657 160 | cell cultivation |
Petri dish 92 x 16 mm, PS, without cams | Sarstedt | Cat. No.: 82.1472.001 | tissue preparation |
sterile surgical blades | B.Braun (Aesculap) | REF BB510 | tissue preparation |
BD DiscarditTM II Syringe 10ml | BD | REF 309110 | tissue preparation |
cell strainer; yellow; 100µm | Falcon | REF 352360 | tissue preparation |
CoolCell | biocision | Item number: 210004 | cooling container with -1°C/min |
Dewar transport vessel type 27 B, 2 l, 138 mm | KGW | Cat. No.: HT39.1 | transport system |
Pipette tip 200µl | Sarstedt | REF 70.760.002 | liquid transfer |
Filter tip 1000µl | Sarstedt | REF 70.762.411 | liquid transfer |
Pipette 200µl, yellow | Eppendorf | Cat. No.: 3121 000.082 | liquid transfer |
Pipette 1000µl, blue | Eppendorf | Cat. No.: 3121 000.120 | liquid transfer |
incubator BB 6220 CU | Heraeus | Cat.-No.: 51012839 | cell cultivation |
heating plate PRÄZITHERM | Harry Gestigkeit GmbH | — | heating |
Microscope Zeiss Primo Vert | Carl Zeiss MicroImaging GmbH | Serial number. 3842000839 | imaging cell cultures |
Sterile bench Safe flow 1.8 nunc | nunc GmbH & Co. KG | — | sterile working bench |
freezer -80°C | Kryotec-Kryosafe GmbH | — | sample storage |
Electronic balance MP-300 | Chyo | — | Scale |
BD Micro-fine, U100 insulin syringe | BD | REF 324826 | injection anesthetic |
Rompun 2%; 25ml | Bayer | approval number: 6293841.00.00 | anesthesia |
Ketamin 100 mg/ml, 25ml | CP-Pharma GmbH | approval number: 401650.00.00 | anesthesia |
GES3S Reader | Datamars | not available | RFID reader |
ISO-Transponder FDX-B (1,4x8mm) | Peddymark | — | RFID chip |
Cotrim-ratiopharm® Ampullen SF 480 mg/5 ml | Ratiopharm | PZN-03928197 | antibiotic drinking water |
Heating plate #FM-20 42x28cm | Dragon | — | heating |
Heating lamp | Electric Petra, Burgau | — | heating |
Ointment for the eyes and nose (5% Dexpanthenol) Bepanthen | Bayer | PZN-01578675 | Eye protection |
anatomical tweezer | B.Braun Aesculap | BD21 OR | surgical instruments |
surgical tweezer | B.Braun Aesculap | BD50 1 R | surgical instruments |
scissors | B.Braun Aesculap | BC05 6R | surgical instruments |
needle holder | B.Braun Aesculap | BH1 1 OR | surgical instruments |
Prolene 5-0 | Ethicon | XN8870.P32 | surgical suture material |
Opsite moisture vapour permable spray dressing | Smith&Nephew | REF 66004978, PZN- 02063507 | surgical suture material |
Adhesive aperture drape | Barrier | REF 904622 | sterile OP tissue |
gauze swap Gazin®; steril; 10×10 cm | Lohmann&Rauscher | REF 18506 | sterile OP tissue |
Raucotupf cotton tipped applicators | Lohmann&Rauscher | REF 11969 | applicator |
Corning® Matrigel Basement Membrane Matrix | Corning | Cat.-No.: 354234 | Basement Membrane Matrix |
iodine solution Braunol (7,5g povidone iodine) | B.Braun Melsungen AG | Item number: 18839 | desinfection |
MACS® Tissue Storage Solution | Miltenyi Biotec GmbH | Order No.:130-100-008 | storage solution |
Formafix 4% | Grimm med. Logistik GmbH | Item number: F10010G | fixation solution |
Software FreezerworksBasic | Dataworks Development, Inc | — | sample organization |
Zebra TLP 2844 printer | Zebra | — | label printer |