마약 중추 신 경계 종양을 대상으로 하는 것은 주요 도전 이다. 여기는 murine 및 인간의 세포를 사용 하 여 혈액 뇌종양 장벽의 생체 모방을 생산 하 고 중추 신 경계 종양 vivo에서 대상의 예측 가능성에 대 한 그들의 관련성을 토론 하는 프로토콜에 설명 합니다.
매우 자연에 의해 선택, 혈액-뇌 장벽 (BBB)은 생리 적인 조건에서 두뇌 항상성 필수적입니다. 그러나, 뇌 종양의 맥락에서 BBB의 분자 선택도 또한 보호 종양 약 셀 주변 관리 chemotherapies의 납품을 차단 하 여 한다. 이상적으로 악성 뇌 종양을 대상으로 하는 소설 약물 (포함 나노 입자)의 개발 의약품의 transcytosis antitumor 효능을 공부 하 고 전 임상 동물 모델의 사용을 해야 합니다. 3R 원칙에 따르기 위해 (수정, 그리고 대체) 우리 재현 생체 외에서 인간을 개발 하는 실험 설정에서 실험 동물의 수를 줄이기 위해 antitumor 에이전트의 큰 도서관의 높은 처리량 검열을 수행 하 고 혈액-뇌 종양 방 벽 (BBTB)의 murine 모방 내 피 세포, 이다, 및 세포종 환자-파생 분야의 문화 3 층을 사용 하 여. 높은 확장성 및 재현성, 상업 세포 선 또는 불멸 하 게 셀 사용 되었습니다 맞춤형된 조건에서 실제 BBB를 닮은 방 벽의 대형을 허용 하도록. 여기는 삽입에 특정 세포 조밀도에서 이다 접촉 내 피 세포를 배양 하 여 BBTB 모방을 프로토콜에 설명 합니다. 이 BBTB 모방 사용할 수 있습니다, 예를 들어, 정량화 및 동일한 분석 결과 내에서 타겟팅 하는 종양 세포의 평가 뿐만 아니라, 내 피 및 astrocytic 장벽을 통해 나노 통로의 confocal 영상. 또한, 우리는 전 임상 동물 모델에서 나노 입자의 행동을 예측 하는 얻은 데이터를 사용할 수 있습니다 보여줍니다. 광범위 한 관점에서이 체 외 모델 BBB 통해 새로운 치료 분자의 통과의 결정에 대 한 다른 신경 퇴행 성 질환에 적응 될 수 및 직접의 효능을 평가 하기 위해 뇌 organoids로 보충 마약입니다.
혈관 단위는 뉴런, 이다, 그리고 pericytes, 이다, 내 피 세포, 두뇌 microvasculature1형성 관련된 지하실 막 간의 복잡 한 연결에 의해 형성 된 BBB의 구성입니다. 연속, nonfenestrated 배에 의해 가늘게 형성이 꽉 세포 벽 세포1순환의 뿐만 아니라 이온 및 분자 (를 포함 하 여 호르몬, 영양분, 또는 약물)의 움직임을 통제 한다. 치료 항 체, 약물 어원이 같은 말, 또는 nanocompounds와 같은 높은 분자 무게 분자의 BBB 통해 특히 낮은 transcytosis 극적으로 제한 하는 등 악성 신경 질환에 대 한 신약에서 발전 gliomas2. 실제로, 구두로 또는 정 맥으로 전달된 chemotherapies antitumor 효과 유도 하기 위해 부적당 하 게 낮은 농도에서 종종 뇌 실질에 도달 또는 단순히 종양 약 셀3에 도달 BBTB 교차 수 있습니다. 여러 전 임상 및 임상 연구 BBTB 침투의 문제 처리 하지는 하지만 집중된 초음파4,5을 사용 하 여 예는 BBTB 정도, 방해 하거나 현장에서 직접에 의해 그것을 우회 시도 약6의 납품입니다. 그러나, 이러한 기술의 아무도 피할 수 없는 종양 확장을 중화 또는 재발을 수 있었다. 따라서, 소설 antiglioma 치료를 개발할 때 치료제7의 성공적인 전달에 대 한 중요 한 측면 중 하나는 BBTB 통해 유포를 고려 한다.
BBTB 내 세포 상호 작용의 매우 복잡 한 특성상, vivo에서 연구 실험실 동물에 뇌에 혈액에서 분자의 통로 공부를 할 때 분명 한 선택이 될 것 같다. 그러나, 대규모 vivo에서 메서드는 상대적으로 복잡 한 설정 하 고, 따라서 허용 하지 않습니다 적절 한 시간에 분자의 높은 처리량 검열 합리적인 비용. 심지어 더 중요 한 것은, 동물 실험 i) 구체화로 정의 3R 윤리 지침에 따라, ii), 그리고, 현재 컨텍스트에 관련성, iii) 대체 대체 프로토콜 (예: 체 외/철 방법) 있다. 따라서, 생체 외에서 BBTB를 재현 한 흥미롭고 매력적인 가능성으로 나타나지만 그것은 또한 다양 한 한계에 의해 도전 하는 복잡 한 작업을 구성. 많은 교양된 1 차 셀 또는 셀 라인 개, 돼지, murine, 그리고 심지어 인간의 기원 (로 라만 외.8 과 헬 름 외.9의 검토) 게시 된에서이 복잡 한 구획을 다시 하려고 합니다. 이러한 모델을 3 차원 미세 시스템10, BBB-칩11,12, 포함 고 변종에 클래식 공동 문화에 따라 수많은 시스템을 삽입 합니다. 그럼에도 불구 하 고, 현재 미세 칩 시스템 중 하지는 급속 한, 높은 처리량의 약물 유효성 검사 연구13,14 또는 현재 연구와 호환 되지 않는 뇌 종양 약물 전달의 적합. 또한, 일차 전지, 유도할 수 있는 만능 줄기 세포 (iPSC), 또는 상업 셀 라인을 사용 하 여 155 게시 된 모델의 검토 모든 공동 경작된에 삽입 그들의 측정 및 결론8interstudy 불일치에 대 한 추세를 보였다. 연구실 재현성이 부족 수와 상관 될 i) 정규화 되지 않은 문화 조건, 예를 들어 셀 문화 선박, subculture 및 사용의 증가 수 ii)는 지하실 멤브레인 매트릭스 단백질 선택 코팅 포함 하는 혈 청의 미디어, 셀 라인15또는 iii의 유전 그리고 phenotypic 수정의 주요 드라이버 모두) reproducibly astroglial와 접시에 내 피 구성 요소 간의 올바른 균형을 재현 하는 데 어려움. 우리 불멸 하 게 셀 또는 상업적인 셀을 사용 하 여 생체 외에서 BBB 모델 부족만 1 차 셀을 사용 하는 비슷한 모델에 비해 속성의 일부 설정 라인, 비록 설명 방법에서의 적절 한 조합을 전시 세포 표시는 매우 유사한 성능을 참조16,17의 다른 모델에 연구 출판. 결국, 연구 대상으로 BBTB 통해 뇌종양 치료 화합물의 통과를 강력 하 고 재현할 수 모델의 부족 여기에 설명 된 방법을 개발 하는 우리 동기.
목표는 전 임상 동물 모델에서 나노 입자의 생체 조건 납품을 예측 하는 모델을 사용 했다, 이후 우리가 먼저 murine 이다 접촉 murine 내 피 세포를 포함 하는 삽입을 이용 하 여 BBTB 모델 검증. 이것 이외에, 우리는 또한 특정 인간의 세포 라인을 사용 하도록 모델 최적화. 안정, 일단 세포 장벽은 세포종 환자에서 파생 된 분야 또는 상업적인 glioma 셀 라인 문화에 전송 됩니다. 그 후, 나노 입자 및 종양 세포를 대상으로 transcytosis confocal 현미경 검사 법에 의해 시각 하 고 시간 동안 샘플을 수집 하 여 정량 될 수 있습니다. 중요 한 것은, BBTB 모방을 사용 하 여 얻은 결과 안정적으로 예측할 수 vivo에서, BBTB 모방 전에의 사용을 지 원하는 나노 입자의 동작 전 임상 유효성 검사.
Interpatient 종양 다양성 개념의 맞춤된 암 의학21에 대 한 연구를 젊 어지게. 이 다양성은 또한 중앙 신경 신생의 특징 이다. 종양의 예측 때문 화학 요법에 대 한 응답 약물 전달에 대 한 BBB의 sheltering 효과를 추가 하 고 환자 치료22주요 과제를 구성 하는 모두. 더 효과적인 치료법을 개발 하기 위하여 그것이 종종 새로운 분자의 화면 큰 라이브러리에 필요 합니다. Antitumor 효능과 종양 사이트에 도달 하는 새로운 치료 단서의 능력을 평가 하기 위해 최고의 옵션 murine 환자 아바타에 생체 내에 이식 환자 파생 셀에 전 임상 연구 이다. 실제 (재정, 시간, 인적, 시설 자원) 및 윤리적인 이유로 (3Rs 원리 실험실 동물을 사용 하는 경우), 같은 대규모 vivo에서 심사 플랫폼의 개발은 종종 가능, 그리고 그러므로, 세포 기반 분석 선택23의 모델을 남아 있다. 선택에 대 한 주요한 이유 세포 라인을 설립 하 고 재현성 하며 절연 및 기본 murine 문화의 설립에 대 한 주요 소스는 실험실 동물의 사용 하는 1 차 셀을 피하. 여기, 제시 하는 방법을 효율적으로 폐기 수 확고 하 게 준수 하는 3Rs nanoparticles는 추가 임상 조사는 쿠리에 모델 BBTB 교차 하는 그들의 무 능력의에서. 원칙으로 서 증거-의-, 여기 개발 및 유효성 검사는 BBTB의 기간 동안 얻은 결과 설명 합니다. 우리는 예를 들어 때 측정 376 다 나트륨 fluorescein의 수동 확산 vivo에서 생체 외에서 연구 결과 확인 수 있었다.
이 문서에서 설명 하는 프로토콜 이다와 cocultured 내 피 세포의 준비를 생체 외에서 설치에서 혈액 종양 장벽 같은 인터페이스를 설명 합니다. 이러한 두 셀 형식 간의 신체 접촉 설립 되 면, 내 피 세포 층 BBB (예를 들어, 한 셀 표면 식 꽉 접합 단백질의 상대적으로 낮은 침투성)와 유사성을 전시 한다. 흥미롭게도, murine BBTB 모방 vivo에서 마우스로 BBB 침투성 측정24얻은 그 특히 비슷한 나 플로리다 침투성 값을 제공 하는 것 같았다. 따라서, BBTB 모방의 성능 장벽을 형성 하는 데 사용 하는 셀의 선택에 직접 연결 될 것입니다. BEND3 내 피 세포 두뇌에서 발생 하 고 이다25cocultured 때 장벽을 형성에 성공한 것으로 알려져 있습니다. 그러나, 우리는 사용 하 고 불멸 하 게 HIFko 이다26 BBTB 모방 생성 하. 저 산소 증 유도할 수 있는 요인의 그들의 부족 때문이 이다 생산 하지 않습니다 VEGF A는 여기에서 설명 하는 BBTB 모방의 안정화에 전형적인. 이다는 VEGF-A neuroinflammation27에 대 한 응답의 출시를 통해 예를 들어 BBB 침투성의 변조기로 확인 되었습니다. 혈관 내 피 성장 인자 수용 체 (VEGFRs)의 활성화는 내 피/혈관 침투성 모두 체 외28 에 vivo에서29의 키 레 귤 레이 터입니다. 따라서, 매체에 VEGF A 보충 VE cadherin30등 외화 접합 단백질의 인 산화를 유도 한다 내 피 세포에 VEGFR2를 활성화 합니다. 내 피 세포-세포 접촉의 손실 높은 침투성 혈관 생성합니다. 마찬가지로, 강한 mitogenic 속성 및 셀 문화 분석에 사용 되는 태아 소 세라의 알 수 없는 구성 장벽 및 분석 결과 재현성에 주요 문제를 일으킬.
인간의 탯 줄 정 맥 내 피 세포 (HUVECs)는 가끔 체 외31; BBB를 형성 하는 데 사용 됩니다. 그러나, 그들은 크게 다 뇌 microvascular 내 피 세포에서 hCMEC/D3 셀 라인32, 유전자 발현 및 방 벽을 형성 하는 같은 속성. 그러나, 혼자 성장 하는 HuAR2T 세포로 가져온 값은 bEND3에 비해 상대적으로 높은 침투성 인간의 기본 이다와 coculturing에 의해 크게 감소 했다. 비록 내 피 세포는 세포 벽을 형성 하는 데 필요한, 그것은 분명는 이다 BBTB 형성 및 안정화를 동등 하 게 중요 한 역할을 했습니다.
때 환자 파생 glioma 분야는이 방정식에 추가 된, 마우스 BBTB 모방 murine xenografts 뇌 맥 관 구조와 종양 세포 타겟팅을 통해 마약 확산 등의 기능 중 일부 지. 여기 BBTB 모방 했다 예를 들어, 우리는 다른 직경을 가진 여러 나노 상영 때 vivo에서 동작을 미러링에 성공. 생체 외에서 그리고 vivo에서 모델 간의 병렬 처리를 설명 하기 위해 우리 세포 관통 속성34 에 종양을 대상으로 펩 티 드 쿠퍼에 활용 된 앞에서 설명한 mesoporous 규 산 염 나노 입자33 사용 그들의 surface20입니다. 닭장을 대상으로 펩 티 드 주택 유 방 파생 된 성장 억제 물 (MDGI)에 특정 바인딩을 통해 침입 종양 세포. Gliomas를 포함 하 여 여러 암 MDGI 정상 조직의35, 쿠퍼는 매우 효율적인 종양을 대상으로 moiety 페이로드20의 납품을 증가 수 게에 비해 overexpressing는. 여기에 사용 되는 나노 입자 (27547955), 뇌 실질에 확산 이전 표시 되었습니다 그리고 때 Taxol과 기능성, 이러한 나노 화물 전 임상 모델36에 glioma 성장 감소에 성공 했습니다. 나노 입자의 표면에 폴 리 에틸렌 글리콜 (PEG) 잔류물의 추가 또한 그들의 정전기 양수 값을 유지 (주위 4 + mV), 혈관 단위37 와 함께 더 나은 상호 작용을 허용 하 고 또한 그들의 안정성을 증가 순환. 표시 데이터에서 말뚝의 3 kDa NP350s 말뚝의 10 kDa 코팅 했다 하는 동안 NP110s에 활용 했다. 그러나, 증가-분자-무게 못 또한 결과 나노 직경, 따라서 상당한 증가에 BBB를 그들의 실제 기능. 따라서, 우리는 입자의 실제 크기는 BBTB 통해 그들의 통행을 방해 하는 여부 및 여부 이러한 관측 수 미러링할 vivo에서 확인 합니다.
이전 게시 된 관측에 따라 생체 외에서 BBTB와 NP350s BBTB 모방의 luminal 사이드의 혈관에서에 유지 하면서 intracranial 종양 방위 쥐의 BBB를 통해 NP110s extravasated는 관찰 된 쥐입니다. 이러한 비슷한 결과 좋습니다 BBTB 모델 BBB를 교차 하 고 두뇌에 도달 하는 나노 입자의 생체 조건 능력을 예측 했다.
BBB의 휴대 전화 모델의 관련성은 나노38의 중앙 배달에도 자주 토론 됩니다. 우리가 보여 여기는 기본 이다 그리고 내 피 세포, 둘 다 가장 관련 된 생체 외에서 도구로 간주 대체 될 수 있다 불멸 하 게 또는 상업적으로 사용할 수 있는 셀, 더 큰 확장성과 재현성을 확보. 생체 외에서 BBB 모방의 다음 세대는 구조적으로 유사한 실제 BBB12,14아름 답게 형성된 neurovascular 단위를 수 있도록 미세 장치를 통합 하 여 개발 될 수 있습니다. 그러나, 이러한 모델은 현재 gliomas 배달14의 속 행에 기술적인 제한 때문에 배달 하는 분자의 높은 처리량 검열에 적합 합니다. 그것은 실제로 접시에 BBB의 생리 적인 복잡성을 포착 하기 어려운 그리고 일부 수용 체/단백질, BBB에 의해 표현 될 알려진의 가능한 부족 결과의 해석을 손상 시킬 수 있습니다. 또 다른 인자 유전자 발현 특히 내 피 세포를 고려 하 고, 다른 한 셀 라인에서 뿐만 아니라 vivo에서 그리고 생체 외에서 조건 사이에서 큰 변화를 염려 한다. 그러나, 그것은 수 또한 될 주장 neurovascular 단위 두뇌39내 균일 한 엔터티 아니다. 생물학에서 과학 연구에 도달 했습니다 인간적 시대 어디 동물 복지, 윤리적 책임, 그리고 동물 생활을 사용 하 여 비용 항상 실험을 설계 하기 전에 간주 됩니다. 따라서, 동물의 교체를 지원 하기 위해 최근 연구의 증가 수 보여줍니다 모델의 한계와 장벽을 설치 하기 세포 모델의 신중한 선택의 인식-는 이다에 대 한 강조와 함께-영장을 경기 결과 접시에 고 동물 모델40있습니다. 여기에 설명 된 방법으로 우리는 한 걸음 더 가까이 상영 BBB transcytosis 잠재적인 치료에 대 한의 목적을 위해 사용 하는 실험 동물의 수를 감소 얻을.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 핀란드 암 조직, 제인 & Aatos Erkko 재단, 그리고 Sigrid Juselius 재단 (P.L.와 V.L.J.), 스위스 국립 과학 재단에서 교부 금에 의해 지원 되었다 (고급 Postdoc.Mobility 부여 no: P300PB_164732 s. K.), 오리온 연구 재단 (S.K.)에, Maud Kuistila 기념 재단 (S.K.), 그리고 핀란드의 아카데미 (TERVA 2017, 부여 no: 314 498). Biomedicum 이미징 장치 (헬싱키)는 현미경 이미징 핵심 시설을 제공 하는 인정 했다.
Cells | |||
bEND3 | ATCC | CRL-2299 | Cultured in: DMEM (1g/L glucose) supplemented with 10% FBS, 5 mL L-glutamine and 5 mL penicillin/streptomycin |
HIFko immortalized mouse astrocytes | Isolated in Dr. Gabriele Bergers Lab | https://doi.org/10.1016/S1535-6108(03)00194-6 | Cultured in: BME-1 supplemented with 5% FBS, 5 mL 1 M HEPES, 5 mL 100 mM sodium pyruvate, 3 g D-glucose and 5 mL penicillin/streptomycin |
HuAR2T | Isolated in Dr. Dagmar Wirth Lab | https://doi.org/10.1089/ten.tea.2009.0184 | Cultured in: EBM-2 with SupplementMix |
normal human primary astrocytes | Lonza | CC-2565 | Cultured in: ABM with SingleQuots |
Material and reagents | |||
100x17mm Dish, Nunclon Delta | ThermoFisher Scientific | 150350 | |
10 mL serological pipet | ThermoFisher Scientific | 170361 | |
15mL Conical Sterile Polypropylene Centrifuge Tubes | ThermoFisher Scientific | 339650 | |
ABM Basal Medium, 500 mL | Lonza | CC-3187 | For primary human astrocytes. ABM+: contains all the additives from the supplement mix. ABM-:all the additives except for rhEGF and FBS |
Accutase Cell Detachment Solution | Corning | 25-058-CI | |
AGM SingleQuots Supplements and Growth Factors | Lonza | CC-4123 | |
B27 supplement | Gibco | 17504-044 | for both GBM + and – medium |
Basal Medium Eagle | ThermoFisher Scientific | 21010046 | BME-1 |
Corning Costar TC-Treated 6-Well Plates | Sigma-Aldrich | CLS3506 | |
Corning Transwell polyester membrane cell culture inserts | Sigma-Aldrich | CLS3452 | |
D-glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | dissolve in 50 mL of BME-1 and sterile filter before adding to the medium |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrient F-12 Ham | Gibco | 21331-020 | Specific to the culture of the patient-derived spheres isolated in our lab, may vary for other glioma cell lines |
EBM-2 growth Medium SupplementMix | PromoCell | c-39216 | EBM+: contains all the additives from the supplement mix. EBM-:all the additives except for VEGF-A and FBS |
Endothelial Basal Medium 2 (EBM-2) | PromoCell | c-22211 | EBM+: contains all the additives from the supplement mix. EBM-:all the additives except for VEGF-A and FBS |
Fetal Bovine Serum (FBS), qualified, heat inactivated, E.U.-approved, South America Origin | ThermoFisher Scientific | 10500056 | |
Fluorescein sodium salt | Sigma-Aldrich | F6377 | |
Greiner CELLSTAR 96 well plates | Sigma-Aldrich | Greiner 655090 | black polystyrene wells flat bottom (with micro-clear bottom) |
Menzel-Gläser 0.9 cm round borosilicate Cover Slips | Thermo Scientific | 10313573 | |
PBS tablets | Medicago | 09-9400-100 | one tablet per liter of dH2O, then sterilize the solution by autoclaving |
Poly-D-lysine hydrobromide | Sigma-Aldrich | P6407 | |
Recombinant Human EGF | Peprotech | GMP100-15 | for GBM+ medium |
Recombinant Human FGF-basic (154 a.a.) | Peprotech | 100-18B | for GBM+ medium |
Immunofluorescence | |||
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
24 x 60 mm microscope slide cover glass | ORSAtec | 0224601-D | |
AlexaFluor 488 and 594 secondary antibodies | ThermoFisher Scientific | dilution: 1/500 | |
Anti-Claudin-5 antibody | Abcam | ab15106 | dilution: 1/150 |
Anti-GFAP antibody clone GF5 | Abcam | ab10062 | dilution: 1/150 |
Anti-Mouse CD31 antibody Clone MEC 13.3 | BD Biosciences | 550274 | dilution 1/800 |
Anti-SV40 T-antigen antibody | Abcam | ab16879 | dilution: 1/150 |
Anti-Zonula Occludens-1 | Abcam | ab96587 | dilution: 1/200 |
DAPI | TOCRIS | 5748 | |
Fluoromount Aqueous Mounting Medium | Sigma-Aldrich | F4680 | |
LysoTracker Red DND-99 | ThermoFisher Scientific | L7528 | |
Animal procedures | |||
10 cm curved dissecting scissors | World Precision Instruments | 14394 | |
BD Microlance 25-gauge needles | Becton Dickinson | 300600 | |
Fine Forceps (12.5 cm) | World Precision Instruments | 503283 | for tissue dissociation |
Intramedic Polyethylene tubing PE20 | Becton Dickinson | 427406 | |
Ketaminol vet 50 mg/mL | Intervet | Vnr511485 | Ketamine |
Mains Powered microdrill | World Precision Instruments | 503599 | |
Menzel-Gläser 0.5 cm round borosilicate Cover Slips | Thermo Scientific | 11888372 | |
Micro Bulldog clamp | World Precision Instruments | 14119 | |
Physiological saline solution | Mustela | Sterile single dose vials 20 x 5 mL / 40 x 5 mL – Medical device class | |
Rochester-Oschner forceps | World Precision Instruments | 501709 | |
Rompun vet 20 mg/mL | Intervet | Vnr148999 | Xylazine |
Stereotaxic adapter | World Precision Instruments | 502063 | |
Sugi Sponge Points | Kettenbach | 31603 | |
Equipment | |||
Axio Zoom.V16 fluorescence stereo zoom microscope | Carl Zeiss | ||
FLUOstar Omega microplate reader | BMG Labtech | ||
ORCA-Flash 4.0 digital sCMOS camera | Hamamatsu Photonics | ||
Universal 320 tabletop centrifuge | Hettich | Cat. No. 1401 | |
ZEISS LSM 880 with Airyscan confocal microscope | Carl Zeiss |