Questo lavoro descrive lo sviluppo di elettrodi interdigitati flessibili per l’implementazione in modelli 3D di tumore cerebrale, vale a dire, coltura in vitro , modello ovo e modello murino in vivo . Il metodo proposto può essere utilizzato per valutare gli effetti dei campi elettrici pulsati sui tumori a diversi livelli di complessità.
Il glioblastoma è difficile da debellare con le terapie oncologiche standard a causa del suo alto grado di invasività. I trattamenti bioelettrici basati su campi elettrici pulsati (PEF) sono promettenti per il miglioramento dell’efficienza del trattamento. Tuttavia, si basano su elettrodi rigidi che causano danni acuti e cronici, specialmente nei tessuti molli come il cervello. In questo lavoro, è stata utilizzata un’elettronica flessibile per fornire PEF ai tumori e la risposta biologica è stata valutata con microscopia fluorescente. Gli elettrodi d’oro interdigitati su un substrato sottile e trasparente di parylene-C sono stati rivestiti con il polimero conduttore PEDOT: PSS, risultando in un dispositivo conformabile e biocompatibile. Gli effetti delle PEF sui tumori e sul loro microambiente sono stati esaminati utilizzando vari modelli biologici. In primo luogo, monostrati di cellule di glioblastoma sono stati coltivati sopra gli elettrodi per studiare i fenomeni in vitro. Come fase intermedia, è stato sviluppato un modello in ovo in cui sferoidi tumorali ingegnerizzati sono stati innestati nella membrana embrionale di una quaglia. A causa dell’assenza di un sistema immunitario, questo ha portato a tumori altamente vascolarizzati. In questa fase iniziale dello sviluppo, gli embrioni non hanno un sistema immunitario e i tumori non sono riconosciuti come corpi estranei. Pertanto, possono svilupparsi rapidamente mentre sviluppano i propri vasi dal sistema vascolare embrionale esistente, che rappresenta un prezioso modello 3D del cancro. Infine, la somministrazione di elettrodi flessibili di PEF è stata valutata in un organismo completo con un sistema immunitario funzionale, utilizzando un modello murino singenico, ortoinnesto (intracranico). Gli sferoidi tumorali sono stati innestati nel cervello di topi transgenici multi-fluorescenti prima dell’impianto di dispositivi di elettrodi organici flessibili. Una finestra cranica sigillata ha permesso l’imaging multifotonico del tumore e del suo microambiente durante il trattamento con PEF per un periodo di diverse settimane.
Il glioblastoma multiforme (GBM) è un tumore altamente invasivo e quindi difficile da sradicare con trattamenti standard come la resezione, la radioterapia e la chemioterapia. Nonostante i trattamenti multimodali, la prognosi rimane molto sfavorevole e la maggior parte dei pazienti manifesta una progressione della malattia entro 1 anno dalla diagnosi 1,2. Recentemente, lo sviluppo di trattamenti bioelettrici ha mostrato un grande potenziale per migliorare le terapie esistenti. Queste terapie utilizzano la consegna di campi elettrici pulsati (PEF), tipicamente in una singola sessione di trattamento, per interrompere l’integrità della membrana cellulare e il microambiente dei tumori. Questa rottura della membrana cellulare, nota anche come elettroporazione, può essere reversibile o irreversibile a seconda dell’intensità del campo elettrico e del numero di impulsi. L’elettroporazione irreversibile (IRE) viene applicata come tecnica di ablazione tissutale non termica in cui gli impulsi elettrici causano danni fatali alle membrane cellulari che portano alla morte cellulare3. L’elettroporazione reversibile viene applicata nell’elettrochemioterapia (ECT), una tecnica consolidata che consiste nella somministrazione di PEF in combinazione con farmaci chemioterapici per migliorare l’assorbimento del farmaco nelle cellule tumorali4. Inoltre, studi recenti hanno dimostrato che l’elettroporazione del calcio è un’alternativa all’ECT ad alta efficienza per il trattamento del cancro, che è anche poco costoso e induce meno effetti collaterali5. Nonostante questi promettenti progressi, i PEF vengono generalmente applicati utilizzando elettrodi rigidi e metallici che sono noti per causare danni ai tessuti molli6. Il cervello è particolarmente sensibile a tali dispositivi invasivi in cui il disallineamento meccanico induce infiammazione e cicatrici astrogliali7.
In questo contesto, viene presentato un sistema flessibile di rilascio di PEF in combinazione con modelli 3D di tumori del glioblastoma, dalla microfabbricazione a un modello murino. Gli elettrodi conformi sono realizzati con processi standard di microfabbricazione a film sottile, compreso l’uso di materiali morbidi e biocompatibili come parylene-C, oro e PEDOT: PSS 8,9. Un design dell’elettrodo interdigitato viene utilizzato per coprire un’ampia superficie mantenendo un’adeguata trasparenza per l’imaging tra le dita dell’elettrodo10. Per il modello tumorale, sferoidi 3D di cellule di glioblastoma che esprimono un reporter di fluorescenza geneticamente codificato sono prodotti utilizzando una variazione del metodo della piastra a 96 pozzetti di sovrapposizione liquida11. Gli sferoidi vengono innestati nella membrana corioallantoica di un embrione di quaglia, risultando in un modello in ovo che è stato ampiamente utilizzato per studiare l’angiogenesi o la tossicologia dei farmaci12,13. I tumori possono essere innestati e vascolarizzati dalla vascolarizzazione dell’embrione in assenza di un sistema immunitario in questa fase dello sviluppo embrionale12. Gli elettrodi flessibili vengono quindi posizionati sopra il tumore vascolarizzato per studiare l’effetto della consegna di PEF sullo sferoide e sulla sua vascolarizzazione. Infine, questi effetti sono studiati su un organismo vivente completo, compreso il microambiente tumorale e il sistema immunitario, impiantando sferoidi ingegnerizzati nel parenchima cerebrale di modelli murini14. Gli elettrodi flessibili sono posizionati sopra il sito di inserimento e la craniotomia è sigillata con una finestra di vetro, consentendo l’imaging ripetuto a due fotoni per diverse settimane.
Questi metodi saranno utili per le persone interessate a vari settori che vanno dall’ingegneria microelettronica alle applicazioni oncologiche. Il protocollo di microfabbricazione può essere utilizzato e adattato per qualsiasi applicazione che richieda elettrodi metallici a film sottile rivestiti con PEDOT:PSS. Inoltre, i modelli biologici sviluppati per la valutazione di trattamenti elettrici antitumorali saranno di interesse generale per lo studio del differenziamento della risposta cellulare, vascolare e immunitaria ai materiali impiantati.
L’approccio descritto in questo lavoro consente a modelli di tumore cerebrale con un sistema integrato di rilascio di PEF di studiare l’effetto delle PEF a diversi livelli di organizzazione biologica. Il protocollo di microfabbricazione consiste in processi standard a film sottile, che forniscono un ampio grado di libertà nella progettazione degli elettrodi che può essere adattato all’applicazione specifica. A volte, un’ulteriore fase di ricottura termica può essere utile alla fine della fabbricazione, per ridurre la flessione degli elettrodi che si è verificata durante la produzione.
L’uso di una linea cellulare stabile di glioblastoma che esprime un indicatore fluorescente di calcio evita tutte le complicazioni legate alla consegna e alla ritenzione del colorante, specialmente nei tumori 3D che sono molto densi16. In effetti, un alto livello di espressione è osservato per un lungo periodo rispetto agli indicatori chimici fluorescenti standarddel calcio 17. Questo protocollo può essere applicato a varie linee cellulari, poiché è comunemente usato per l’imaging dell’attività neurale11. Qui sono state utilizzate linee cellulari umane e murine (U87 e Gl261 per l’impianto in topi immunodeficienti o immunocompetenti, rispettivamente). Infatti, studi recenti hanno dimostrato che la linea cellulare U87 è diversa da quella delle cellule originali in quanto molte mutazioni sono state acquisite in anni di coltura cellulare, influenzando la riproducibilità sperimentale18. Il metodo utilizzato per la preparazione dei tumori 3D è ad alto rendimento, riproducibile e consente la generazione di sferoidi di dimensioni specifiche a seconda della linea cellulare, del numero di cellule in fase di semina e del tempo di crescita19. Tuttavia, questi sferoidi sono densi, il che presenta uno svantaggio quando si esegue l’imaging al centro del tumore.
Il modello in ovo è utile come primo approccio per studiare l’effetto della PEF sui tumori 3D e sulla loro vascolarizzazione, senza interazioni con altri tipi cellulari presenti nel cervello. Questo modello è economico, veloce, ad alto rendimento e solleva meno problemi etici rispetto ai modelli animali. È importante mantenere l’integrità dell’embrione durante l’intero esperimento, in quanto potrebbe influire sulla sua sopravvivenza e sulla qualità dell’imaging. Prestare particolare attenzione durante l’apertura dell’uovo di quaglia, per evitare danni alla membrana embrionale. Anche l’innesto e il posizionamento degli elettrodi flessibili devono essere eseguiti con attenzione, per evitare sanguinamenti che potrebbero uccidere l’embrione. L’iniezione di colorante fluorescente nei vasi sanguigni consente la visualizzazione simultanea delle cellule tumorali e la vascolarizzazione con microscopia a fluorescenza. L’iniezione intraoculare deve essere eseguita con attenzione per evitare fuoriuscite di colorante nel liquido embrionale, che potrebbe causare una fluorescenza residua sullo sfondo che degrada la qualità dell’imaging. Questo modello può essere utilizzato anche per seguire l’assorbimento del farmaco, in quanto consente l’accesso al sistema circolatorio. Tuttavia, gli esperimenti sono limitati dal tempo di sopravvivenza di 12 giorni dell’embrione, consentendo così 7 giorni di osservazione, che è significativamente più breve del modello in vivo 21.
Il modello di tumore cerebrale in vivo può essere monitorato per 4-5 settimane prima che gli animali raggiungano un endpoint sperimentale etico determinato da un’improvvisa perdita di peso del 20%. È ben tollerato e rimane in posizione se la coda di collegamento dell’elettrodo non è troppo lunga. Altrimenti, gli animali tendono a graffiare il connettore ribaltabile, che alla fine potrebbe essere strappato, impedendo così la successiva connessione allo stimolatore. Questo periodo di 4 settimane è comunque prezioso per coprire le diverse fasi dello sviluppo del glioblastoma. Quando si confrontano le densità delle cellule tumorali nello stesso volume di interesse a diversi intervalli di tempo, si può osservare l’evoluzione della cinetica di crescita del tumore. In particolare, una maggiore crescita tumorale è stata osservata al momento del passaggio immunitario22. Uno studio simile in presenza di un elettrodo stimolante informerebbe sull’effetto della PEF sul tasso di proliferazione tumorale e sulla sensibilità tumorale all’eliminazione immunitaria. Rispetto al modello in ovo , il modello in vivo può essere visto come un valido modello preclinico per studiare l’impatto delle cellule immunitarie sulla progressione tumorale e il loro contributo all’effetto terapeutico della PEF. Questo protocollo è adattato da un articolo precedente con l’aggiunta di un dispositivo elettrodo flessibile sul tumore prima di posizionare una finestra cranica14. Sia i trattamenti bioelettrici acuti che cronici dei tumori possono essere caratterizzati da osservazioni dirette e successive con microscopia a due fotoni, dato che ci si aspetta che la stimolazione iniziale induca la morte cellulare e inneschi una disregolazione duratura della risposta immunitaria.
Le connessioni della sonda flessibile sono facilmente accessibili al microscopio a due fotoni. I parametri di stimolazione elettrica possono quindi essere regolati in tempo reale in base all’effetto osservato sul tessuto neurale e / o sulle cellule bersaglio, in modo simile a come un medico eseguirebbe procedure interventistiche mentre osserva le immagini MRI o TC del suo paziente. Un’ultima considerazione è l’importanza di un’attenta sigillatura dell’elettrodo sul cervello con supercolla e colla siliconica per prevenire la ricrescita dei tessuti.
In conclusione, il protocollo qui descritto rappresenta un modello innovativo per studiare l’effetto della terapia PEF con elettrodi polimerici organici flessibili per modelli tumorali di glioblastoma. I due modelli presentano diversi livelli di complessità tali che gli effetti cellulari, vascolari o immunitari possono essere separati per una migliore comprensione dei meccanismi d’azione. Gli elettrodi conformi e superficiali riducono il danno iatrogeno consentendo allo stesso tempo la rottura del microambiente tumorale, innescando vasocostrizione o disregolazione del calcio15 intracellulare.
The authors have nothing to disclose.
Il lavoro qui riportato è stato sostenuto dall’Agenzia nazionale francese per la ricerca (ANR-18-CE19-0029). Gli autori ringraziano calorosamente S.M. Bardet per il suo contributo alla generazione di una linea cellulare GCaMP6f stabile e D. O’Connor per il suo aiuto con il modello 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 |