Este trabajo describe el desarrollo de electrodos interdigitados flexibles para su implementación en modelos 3D de tumores cerebrales, a saber, cultivo in vitro , modelo in ovo y modelo murino in vivo . El método propuesto se puede utilizar para evaluar los efectos de los campos eléctricos pulsados en tumores en diferentes niveles de complejidad.
El glioblastoma es difícil de erradicar con terapias oncológicas estándar debido a su alto grado de invasividad. Los tratamientos bioeléctricos basados en campos eléctricos pulsados (PEF) son prometedores para mejorar la eficiencia del tratamiento. Sin embargo, dependen de electrodos rígidos que causan daños agudos y crónicos, especialmente en tejidos blandos como el cerebro. En este trabajo, se utilizó electrónica flexible para administrar PEF a los tumores y la respuesta biológica se evaluó con microscopía fluorescente. Los electrodos de oro interdigitados en un sustrato delgado y transparente de parileno-C se recubrieron con el polímero conductor PEDOT: PSS, lo que resultó en un dispositivo adaptable y biocompatible. Los efectos de los PEF sobre los tumores y su microambiente se examinaron utilizando varios modelos biológicos. Primero, se cultivaron monocapas de células de glioblastoma en la parte superior de los electrodos para investigar fenómenos in vitro. Como paso intermedio, se desarrolló un modelo in ovo donde se injertaron esferoides tumorales diseñados en la membrana embrionaria de una codorniz. Debido a la ausencia de un sistema inmune, esto condujo a tumores altamente vascularizados. En esta etapa temprana del desarrollo, los embriones no tienen sistema inmunológico y los tumores no se reconocen como cuerpos extraños. Por lo tanto, pueden desarrollarse rápidamente mientras desarrollan sus propios vasos del sistema vascular embrionario existente, lo que representa un valioso modelo de cáncer en 3D. Finalmente, se evaluó la administración de electrodos flexibles de PEF en un organismo completo con un sistema inmune funcional, utilizando un modelo de ratón de ortoinjerto singénico (intracraneal). Los esferoides tumorales se injertaron en el cerebro de ratones transgénicos multifluorescentes antes de la implantación de dispositivos de electrodos orgánicos flexibles. Una ventana craneal sellada permitió obtener imágenes multifotónicas del tumor y su microambiente durante el tratamiento con PEF durante un período de varias semanas.
El glioblastoma multiforme (GBM) es un tumor altamente invasivo y, por lo tanto, difícil de erradicar con tratamientos estándar como la resección, la radioterapia y la quimioterapia. A pesar de los tratamientos multimodales, el pronóstico sigue siendo muy malo y la mayoría de los pacientes experimentan progresión de la enfermedad dentro de 1 año del diagnóstico 1,2. Recientemente, el desarrollo de tratamientos bioeléctricos ha demostrado un gran potencial para mejorar las terapias existentes. Estas terapias utilizan la administración de campos eléctricos pulsados (PEF), generalmente en una sola sesión de tratamiento, para interrumpir la integridad de la membrana celular y el microambiente de los tumores. Esta alteración de la membrana celular, también conocida como electroporación, puede ser reversible o irreversible dependiendo de la intensidad del campo eléctrico y el número de pulsos. La electroporación irreversible (IRE) se aplica como una técnica de ablación tisular no térmica en la que los pulsos eléctricos causan daños fatales a las membranas celulares que conducen a la muerte celular3. La electroporación reversible se aplica en la electroquimioterapia (TEC), una técnica establecida que consiste en la administración de PEF en combinación con medicamentos de quimioterapia para mejorar la captación de fármacos en las células cancerosas4. Además, estudios recientes demostraron la electroporación de calcio como una alternativa a la TEC con alta eficiencia para el tratamiento del cáncer, que también es barata e induce menos efectos secundarios5. A pesar de estos avances prometedores, los PEF se aplican generalmente utilizando electrodos metálicos rígidos que se sabe que causan daño a los tejidos blandos6. El cerebro es particularmente sensible a tales dispositivos invasivos donde el desajuste mecánico induce inflamación y cicatrización astroglial7.
En este contexto, se presenta un sistema flexible de administración de PEF en combinación con modelos 3D de tumores de glioblastoma, desde la microfabricación hasta un modelo murino. Los electrodos conformados se fabrican con procesos estándar de microfabricación de película delgada, incluido el uso de materiales blandos y biocompatibles como el parileno-C, el oro y PEDOT: PSS 8,9. Se utiliza un diseño de electrodo interdigitado para cubrir una gran área de superficie mientras se mantiene una transparencia adecuada para la obtención de imágenes entre los dedos del electrodo10. Para el modelo tumoral, se producen esferoides 3D de células de glioblastoma que expresan un reportero de fluorescencia codificado genéticamente utilizando una variación del método de placa de 96 pocillos de recubrimiento líquido11. Los esferoides son injertados en la membrana corioalantoidea de un embrión de codorniz, resultando en un modelo in ovo que ha sido ampliamente utilizado para estudiar angiogénesis o toxicología farmacológica12,13. Los tumores pueden ser injertados y vascularizados por la vasculatura del embrión en ausencia de un sistema inmune en esta etapa del desarrollo embrionario12. Luego se colocan electrodos flexibles en la parte superior del tumor vascularizado para estudiar el efecto de la administración de PEF en el esferoide y su vasculatura. Finalmente, estos efectos se investigan en un organismo vivo completo, incluyendo el microambiente tumoral y el sistema inmune, mediante la implantación de esferoides diseñados en el parénquima cerebral de modelos murinos14. Se colocan electrodos flexibles en la parte superior del sitio de inserción y la craneotomía se sella con una ventana de vidrio, lo que permite repetir imágenes de dos fotones durante varias semanas.
Estos métodos serán útiles para las personas interesadas en diversos dominios que van desde la ingeniería microelectrónica hasta las aplicaciones oncológicas. El protocolo de microfabricación se puede utilizar y adaptar para cualquier aplicación que requiera electrodos metálicos de película delgada recubiertos con PEDOT:PSS. Además, los modelos biológicos desarrollados para la evaluación de tratamientos eléctricos antitumorales serán de interés general para la investigación de la diferenciación de la respuesta celular, vascular e inmune a los materiales implantados.
El enfoque descrito en este trabajo permite que los modelos de tumores cerebrales con un sistema integrado de administración de PEF estudien el efecto de los PEF en diferentes niveles de organización biológica. El protocolo de microfabricación consiste en procesos estándar de película delgada, que proporcionan un alto grado de libertad en el diseño de electrodos que se puede adaptar a la aplicación específica. A veces, un paso adicional de recocido térmico puede ser útil al final de la fabricación, para reducir la flexión de los electrodos que se produjo durante la fabricación.
El uso de una línea celular estable de glioblastoma que expresa un indicador de calcio fluorescente evita todas las complicaciones relacionadas con la administración y retención del colorante, especialmente en tumores 3D que son muy densos16. De hecho, se observa un alto nivel de expresión durante un largo período en comparación con los indicadores químicos estándar de calcio fluorescente17. Este protocolo puede ser aplicado a varias líneas celulares, ya que es comúnmente utilizado para la obtención de imágenes de la actividad neuronal11. Aquí se utilizaron líneas celulares humanas y murinas (U87 y Gl261 para la implantación en ratones inmunodeficientes o inmunocompetentes, respectivamente). De hecho, estudios recientes mostraron que la línea celular U87 es diferente de la de las células originales, ya que muchas mutaciones fueron adquiridas durante años de cultivo celular, afectando la reproducción experimental18. El método utilizado para la preparación de tumores 3D es de alto rendimiento, reproducible, y permite la generación de esferoides de un tamaño específico dependiendo de la línea celular, el número de células en la siembra y el tiempo de crecimiento19. Sin embargo, estos esferoides son densos, lo que presenta una desventaja cuando se obtienen imágenes en el núcleo del tumor.
El modelo in ovo es útil como primer enfoque para estudiar el efecto de la FPE en tumores 3D y su vasculatura, sin interacciones con otros tipos de células que están presentes en el cerebro. Este modelo es barato, rápido, de alto rendimiento y plantea menos problemas éticos que los modelos animales. Es importante mantener la integridad del embrión durante todo el experimento, ya que podría afectar su supervivencia y la calidad de la imagen. Se debe tener especial cuidado al abrir el huevo de codorniz, para evitar daños en la membrana embrionaria. El injerto y la colocación de los electrodos flexibles también deben realizarse con cuidado, para evitar sangrados que podrían matar al embrión. La inyección de colorante fluorescente en los vasos sanguíneos permite la visualización simultánea de las células tumorales y la vascularización con microscopía de fluorescencia. La inyección intraocular debe realizarse con cuidado para evitar que el tinte se filtre en el líquido embrionario, lo que podría causar una fluorescencia residual en el fondo que degrada la calidad de la imagen. Este modelo también se puede utilizar para seguir la absorción de fármacos, ya que permite el acceso al sistema circulatorio. Sin embargo, los experimentos están limitados por el tiempo de supervivencia de 12 días del embrión, lo que permite 7 días de observación, que es significativamente más corto que el modelo in vivo 21.
El modelo de tumor cerebral in vivo se puede monitorear durante 4 a 5 semanas antes de que los animales alcancen un punto final experimental ético determinado por una pérdida repentina de peso del 20%. Es bien tolerado y permanece en su lugar si la cola de conexión del electrodo no es demasiado larga. De lo contrario, los animales tienden a rayar el conector giratorio, que en última instancia podría romperse, lo que impide la conexión posterior al estimulador. Sin embargo, este período de 4 semanas es valioso para cubrir las diferentes etapas del desarrollo del glioblastoma. Al comparar las densidades de células tumorales en el mismo volumen de interés en diferentes intervalos de tiempo, se puede observar la evolución de la cinética de crecimiento tumoral. En particular, se observó un mayor crecimiento tumoral en el momento del cambio inmune22. Un estudio similar en presencia de un electrodo estimulante informaría sobre el efecto de la FPE sobre la tasa de proliferación tumoral y la sensibilidad tumoral a la eliminación inmune. En comparación con el modelo in ovo , el modelo in vivo puede verse como un modelo preclínico valioso para estudiar el impacto de las células inmunes en la progresión tumoral y su contribución al efecto terapéutico de la FPE. Este protocolo está adaptado de un artículo anterior con la adición de un dispositivo de electrodo flexible en el tumor antes de colocar una ventana craneal14. Tanto los tratamientos bioeléctricos agudos como los crónicos de los tumores pueden caracterizarse por observaciones directas y posteriores con microscopía de dos fotones, dado que se espera que la estimulación inicial induzca la muerte celular y desencadene una desregulación duradera de la respuesta inmune.
Las conexiones de la sonda flexible son fácilmente accesibles bajo el microscopio de dos fotones. Por lo tanto, los parámetros de estimulación eléctrica se pueden ajustar en tiempo real en función del efecto observado en el tejido neural y / o las células objetivo, de manera similar a cómo un médico realizaría procedimientos intervencionistas mientras observa imágenes de resonancia magnética o tomografía computarizada de su paciente. Una consideración final es la importancia de sellar cuidadosamente el electrodo en el cerebro con superglue y pegamento de silicona para prevenir el crecimiento del tejido.
En conclusión, el protocolo descrito aquí representa un modelo innovador para estudiar el efecto de la terapia PEF con electrodos de polímeros orgánicos flexibles para modelos tumorales de glioblastoma. Los dos modelos exhiben diferentes niveles de complejidad, de modo que los efectos celulares, vasculares o inmunes se pueden separar para una mejor comprensión de los mecanismos de acción. Los electrodos superficiales conformes reducen el daño iatrogénico al tiempo que permiten la interrupción del microambiente tumoral, desencadenando vasoconstricción o desregulación del calcio intracelular15.
The authors have nothing to disclose.
El trabajo aquí reportado fue apoyado por la Agencia Nacional de Investigación de Francia (ANR-18-CE19-0029). Los autores agradecen calurosamente a S.M. Bardet por su contribución a la generación de una línea celular GCaMP6f estable y a D. O’Connor por su ayuda con el modelo 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 |