Ce travail décrit le développement d’électrodes interdigitées flexibles pour la mise en œuvre dans des modèles 3D de tumeurs cérébrales, à savoir la culture in vitro , le modèle in ovo et le modèle murin in vivo . La méthode proposée peut être utilisée pour évaluer les effets des champs électriques pulsés sur les tumeurs à différents niveaux de complexité.
Le glioblastome est difficile à éradiquer avec les thérapies oncologiques standard en raison de son degré élevé d’invasivité. Les traitements bioélectriques basés sur les champs électriques pulsés (PEF) sont prometteurs pour l’amélioration de l’efficacité du traitement. Cependant, ils reposent sur des électrodes rigides qui causent des dommages aigus et chroniques, en particulier dans les tissus mous tels que le cerveau. Dans ce travail, l’électronique flexible a été utilisée pour délivrer des PEF aux tumeurs et la réponse biologique a été évaluée par microscopie fluorescente. Des électrodes en or interdigitées sur un substrat mince et transparent de parylène-C ont été recouvertes du polymère conducteur PEDOT:PSS, résultant en un dispositif conformable et biocompatible. Les effets des PEF sur les tumeurs et leur microenvironnement ont été examinés à l’aide de divers modèles biologiques. Tout d’abord, des monocouches de cellules de glioblastome ont été cultivées au-dessus des électrodes pour étudier les phénomènes in vitro. Comme étape intermédiaire, un modèle in ovo a été développé où des sphéroïdes tumoraux modifiés ont été greffés dans la membrane embryonnaire d’une caille. En raison de l’absence d’un système immunitaire, cela a conduit à des tumeurs hautement vascularisées. À ce stade précoce de développement, les embryons n’ont pas de système immunitaire et les tumeurs ne sont pas reconnues comme des corps étrangers. Ainsi, ils peuvent se développer rapidement tout en développant leurs propres vaisseaux à partir du système vasculaire embryonnaire existant, ce qui représente un modèle de cancer 3D précieux. Enfin, l’administration d’électrodes flexibles de PEF a été évaluée dans un organisme complet doté d’un système immunitaire fonctionnel, à l’aide d’un modèle murin syngénique d’orthogreffe (intracrânienne). Des sphéroïdes tumoraux ont été greffés dans le cerveau de souris multi-fluorescentes transgéniques avant l’implantation de dispositifs d’électrodes organiques flexibles. Une fenêtre crânienne scellée a permis l’imagerie multiphotonique de la tumeur et de son microenvironnement pendant le traitement par PEF sur une période de plusieurs semaines.
Le glioblastome multiforme (GBM) est une tumeur très invasive et donc difficile à éradiquer avec des traitements standard tels que la résection, la radiothérapie et la chimiothérapie. Malgré les traitements multimodaux, le pronostic reste très sombre et la plupart des patients connaissent une progression de la maladie dans l’année 1 suivant le diagnostic 1,2. Récemment, le développement de traitements bioélectriques a montré un grand potentiel pour améliorer les thérapies existantes. Ces thérapies utilisent l’administration de champs électriques pulsés (PEF), généralement en une seule séance de traitement, pour perturber l’intégrité de la membrane cellulaire et le microenvironnement des tumeurs. Cette perturbation de la membrane cellulaire, également appelée électroporation, peut être réversible ou irréversible en fonction de l’intensité du champ électrique et du nombre d’impulsions. L’électroporation irréversible (IRE) est appliquée comme une technique d’ablation tissulaire non thermique dans laquelle les impulsions électriques causent des dommages mortels aux membranes cellulaires conduisant à la mort cellulaire3. L’électroporation réversible est appliquée à l’électrochimiothérapie (ECT), une technique établie qui consiste à administrer des PEF en combinaison avec des médicaments de chimiothérapie pour améliorer l’absorption du médicament dans les cellules cancéreuses4. De plus, des études récentes ont démontré que l’électroporation du calcium était une alternative à l’ECT avec une efficacité élevée pour le traitement du cancer, qui est également peu coûteuse et induit moins d’effets secondaires5. Malgré ces avancées prometteuses, les EEP sont généralement appliqués à l’aide d’électrodes métalliques rigides connues pour endommager les tissus mous6. Le cerveau est particulièrement sensible à ces dispositifs invasifs où le décalage mécanique induit une inflammation et des cicatrices astrogliales7.
Dans ce contexte, un système flexible d’administration de PEF en combinaison avec des modèles 3D de tumeurs de glioblastome est présenté, de la microfabrication à un modèle murin. Les électrodes conformes sont fabriquées avec des procédés de microfabrication à couche mince standard, y compris l’utilisation de matériaux souples et biocompatibles tels que le parylène-C, l’or et le PEDOT:PSS 8,9. Une conception d’électrode interdigitée est utilisée pour couvrir une grande surface tout en maintenant une transparence adéquate pour l’imagerie entre les doigts de l’électrode10. Pour le modèle tumoral, des sphéroïdes 3D de cellules de glioblastome exprimant un rapporteur de fluorescence génétiquement codé sont produits en utilisant une variante de la méthode de plaque de 96 puits à recouvrement de liquide11. Les sphéroïdes sont greffés dans la membrane chorio-allantoïdienne d’un embryon de caille, ce qui donne un modèle in ovo qui a été largement utilisé pour étudier l’angiogenèse ou la toxicologie médicamenteuse12,13. Les tumeurs peuvent être greffées et vascularisées par le système vasculaire de l’embryon en l’absence de système immunitaire à ce stade du développement embryonnaire12. Des électrodes flexibles sont ensuite placées sur le dessus de la tumeur vascularisée pour étudier l’effet de l’administration de PEF sur le sphéroïde et son système vasculaire. Enfin, ces effets sont étudiés sur un organisme vivant complet, y compris le microenvironnement tumoral et le système immunitaire, en implantant des sphéroïdes modifiés dans le parenchyme cérébral de modèles murins14. Des électrodes flexibles sont placées sur le site d’insertion et la craniotomie est scellée avec une fenêtre en verre, permettant une imagerie répétée à deux photons sur plusieurs semaines.
Ces méthodes seront utiles pour les personnes intéressées par divers domaines allant de l’ingénierie microélectronique aux applications en oncologie. Le protocole de microfabrication peut être utilisé et adapté pour toute application nécessitant des électrodes métalliques à couche mince revêtues de PEDOT:PSS. De plus, les modèles biologiques développés pour l’évaluation des traitements électriques antitumoraux seront d’intérêt général pour l’étude de la différenciation de la réponse cellulaire, vasculaire et immunitaire aux matériaux implantés.
L’approche décrite dans ce travail permet aux modèles de tumeurs cérébrales avec un système intégré d’administration de PEF d’étudier l’effet des PEF à différents niveaux de l’organisation biologique. Le protocole de microfabrication se compose de procédés standard à couche mince, qui offrent un grand degré de liberté dans la conception des électrodes qui peut être adapté à l’application spécifique. Parfois, une étape supplémentaire de recuit thermique peut être utile à la fin de la fabrication, pour réduire la flexion des électrodes qui s’est produite pendant la fabrication.
L’utilisation d’une lignée cellulaire de glioblastome stable exprimant un indicateur de calcium fluorescent évite toutes les complications liées à l’administration et à la rétention du colorant, en particulier dans les tumeurs 3D très denses16. En effet, un niveau d’expression élevé est observé sur une longue période par rapport aux indicateurs chimiques fluorescents standardde calcium 17. Ce protocole peut être appliqué à diverses lignées cellulaires, car il est couramment utilisé pour l’imagerie de l’activité neuronale11. Ici, des lignées cellulaires humaines et murines ont été utilisées (U87 et Gl261 pour l’implantation chez des souris immunodéficientes ou immunocompétentes, respectivement). En effet, des études récentes ont montré que la lignée cellulaire U87 est différente de celle des cellules d’origine car de nombreuses mutations ont été acquises au cours d’années de culture cellulaire, affectant la reproductibilité expérimentale18. La méthode utilisée pour la préparation des tumeurs 3D est à haut débit, reproductible, et permet la génération de sphéroïdes d’une taille spécifique en fonction de la lignée cellulaire, du nombre de cellules à l’ensemencement et du temps de croissance19. Cependant, ces sphéroïdes sont denses, ce qui présente un inconvénient lors de l’imagerie au cœur de la tumeur.
Le modèle in ovo est utile comme première approche pour étudier l’effet du PEF sur les tumeurs 3D et leur système vasculaire, sans interactions avec d’autres types de cellules présentes dans le cerveau. Ce modèle est peu coûteux, rapide, à haut débit et soulève moins de questions éthiques que les modèles animaux. Il est important de maintenir l’intégrité de l’embryon tout au long de l’expérience, car cela pourrait affecter sa survie et la qualité de l’imagerie. Des précautions particulières doivent être prises lors de l’ouverture de l’œuf de caille, pour éviter d’endommager la membrane embryonnaire. La greffe et la mise en place des électrodes flexibles doivent également être effectuées avec soin, afin d’éviter les saignements qui pourraient tuer l’embryon. L’injection de colorant fluorescent dans les vaisseaux sanguins permet la visualisation simultanée des cellules tumorales et la vascularisation par microscopie à fluorescence. L’injection intraoculaire doit être effectuée avec précaution pour éviter que le colorant ne s’échappe dans le liquide embryonnaire, ce qui pourrait provoquer une fluorescence résiduelle en arrière-plan qui dégrade la qualité de l’imagerie. Ce modèle peut également être utilisé pour suivre l’absorption du médicament, car il permet l’accès au système circulatoire. Cependant, les expériences sont limitées par le temps de survie de 12 jours de l’embryon, permettant ainsi 7 jours d’observation, ce qui est nettement plus court que le modèle in vivo 21.
Le modèle de tumeur cérébrale in vivo peut être surveillé pendant 4 à 5 semaines avant que les animaux n’atteignent un critère expérimental éthique déterminé par une perte de poids soudaine de 20%. Il est bien toléré et reste en place si la queue de connexion de l’électrode n’est pas trop longue. Sinon, les animaux ont tendance à rayer le connecteur retournant, qui pourrait finalement être déchiré, empêchant ainsi la connexion ultérieure au stimulateur. Cette période de 4 semaines est néanmoins précieuse pour couvrir les différentes étapes du développement du glioblastome. En comparant les densités de cellules tumorales dans le même volume d’intérêt à différents intervalles de temps, l’évolution de la cinétique de croissance tumorale peut être observée. En particulier, une croissance tumorale accrue a été observée au moment de l’interrupteur immunitaire22. Une étude similaire en présence d’une électrode stimulante informerait sur l’effet du PEF sur le taux de prolifération tumorale et la sensibilité tumorale à l’élimination immunitaire. Par rapport au modèle in ovo , le modèle in vivo peut être considéré comme un modèle préclinique précieux pour étudier l’impact des cellules immunitaires sur la progression tumorale et leur contribution à l’effet thérapeutique du PEF. Ce protocole est adapté d’un précédent article avec l’ajout d’un dispositif d’électrode flexible sur la tumeur avant de placer une fenêtre crânienne14. Les traitements bioélectriques aigus et chroniques des tumeurs peuvent être caractérisés par des observations directes et ultérieures avec la microscopie à deux photons, étant donné que la stimulation initiale devrait induire la mort cellulaire et déclencher une dérégulation durable de la réponse immunitaire.
Les connexions de la sonde flexible sont facilement accessibles au microscope à deux photons. Les paramètres de stimulation électrique peuvent ainsi être ajustés en temps réel en fonction de l’effet observé sur le tissu neural et/ou les cellules ciblées, de la même manière qu’un médecin effectuerait des procédures interventionnelles tout en observant des images IRM ou CT de son patient. Une dernière considération est l’importance de sceller soigneusement l’électrode sur le cerveau avec de la superglue et de la colle de silicone pour empêcher la repousse des tissus.
En conclusion, le protocole décrit ici représente un modèle innovant pour étudier l’effet de la thérapie PEF avec des électrodes en polymère organique flexible pour les modèles tumoraux de glioblastome. Les deux modèles présentent différents niveaux de complexité, de sorte que les effets cellulaires, vasculaires ou immunitaires peuvent être séparés pour une meilleure compréhension des mécanismes d’action. Les électrodes superficielles et conformes réduisent les dommages iatrogènes tout en permettant de perturber le microenvironnement tumoral, déclenchant une vasoconstriction ou un dérèglement du calcium intracellulaire15.
The authors have nothing to disclose.
Les travaux rapportés ici ont été soutenus par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR-18-CE19-0029). Les auteurs remercient chaleureusement S.M. Bardet pour sa contribution à la génération d’une lignée cellulaire GCaMP6f stable et D. O’Connor pour son aide avec le modèle 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 |