Bu çalışma, bir doku kıyıcı kullanarak hasta kaynaklı glioblastoma 3 boyutlu organoidler oluşturmak için otomatik bir yöntem sunmaktadır. Yöntem, terapötik testler için bu tür organoidleri elde etmek için uygun ve etkili bir yaklaşım sağlar.
Glioblastom, IDH-vahşi tip, CNS WHO grade 4 (GBM), agresif tedaviye rağmen kötü hasta sağkalımı ile ilişkili primer bir beyin tümörüdür. Gerçekçi ex vivo modeller geliştirmek zor olmaya devam ediyor. Hasta kaynaklı 3 boyutlu organoid (PDO) modeller, orijinal tümörlerin temel özelliklerini korurken GBM’nin fenotipik ve moleküler heterojenliğini yakalayan yenilikçi platformlar sunar. Bununla birlikte, PDO üretimi için manuel diseksiyon zaman alıcıdır, pahalıdır ve bir dizi düzensiz ve eşit olmayan boyutta PDO’ya neden olabilir. Bu çalışma, otomatik bir doku kıyıcı kullanarak PDO üretimi için yenilikçi bir yöntem sunmaktadır. Dört GBM ve bir astrositom, IDH-mutant, CNS WHO grade 2 hastalarından alınan tümör örnekleri, doku kıyıcı kullanılarak manuel olarak işlendi. Manuel yaklaşımda, tümör materyali mikroskobik kontrol altında neşter kullanılarak diseke edilirken, doku kıyıcı üç farklı açıda kullanıldı. 37 °C’de orbital çalkalayıcı üzerinde kültürü takiben, morfolojik değişiklikler parlak alan mikroskobu kullanılarak değerlendirilirken, proliferasyon (Ki67) ve apoptoz (CC3) 6 hafta sonra immünofloresan ile değerlendirildi. Doku kıyıcı yöntemi, üretim süresinin neredeyse %70’ini azalttı ve ikinci haftadan itibaren elle işlenen dokuya kıyasla önemli ölçüde daha yüksek bir PDO ortalama sayısı ile sonuçlandı (2. hafta: 801’e karşı 601, P = 0.018; 3. hafta: 1105’e karşı 771, P = 0.032; ve 4. hafta: 1195’e karşı 784, P < 0.01). Kalite değerlendirmesi, her iki üretim yöntemi için de benzer tümör hücresi apoptozu ve proliferasyon oranlarını ortaya koydu. Bu nedenle, otomatik doku kıyıcı yöntemi, zaman ve PDO verimi açısından daha verimli bir yaklaşım sunar. Bu yöntem, GBM hastalarının ilaç veya immünoterapi taraması için umut vaat etmektedir.
Düşük dereceli gliomlar (LGG’ler), glioblastoma gibi yüksek dereceli gliomlara kıyasla tipik olarak yavaş büyüyen ve daha az agresif olarak ortaya çıkan, nispeten nadir görülen bir beyin tümörü grubudur. Hem yetişkinlerde hem de çocuklarda ortaya çıkabilirler, yetişkinlerde biraz daha yüksek bir prevalansa sahiptirler. Kesin prevalans bölgeye ve popülasyona göre değişir, ancak LGG’ler tüm primer beyin tümörlerinin yaklaşık %15-20’sini oluşturur1. LGG’ler için tedavi stratejileri genellikle nörolojik fonksiyonu korurken tümör rezeksiyonunu en üst düzeye çıkarmayı amaçlayan cerrahi, radyasyon tedavisi ve kemoterapinin bir kombinasyonunu içerir. LGG’lerin yönetimi karmaşık olabilir ve tedavi seçimi tümörün yeri ve moleküler özellikleri gibi faktörlere bağlı olabilir2. LGG’lerin genetik ve moleküler temellerinin anlaşılmasındaki ilerlemeler, daha hedefe yönelik tedavilere yol açmıştır ve devam eden araştırmalar, tedavi yaklaşımlarını iyileştirmeye devam etmektedir.
Glioblastoma, IDH-vahşi tip, CNS WHO grade 4 (GBM) ise 100.000 kişi-yıl başına 3.19-4.17 vaka arasında insidans oranı ile erişkinlerde bulunan en yaygın primer beyin tümörüdür3. GBM, baş ağrısı, nöbetler, fokal nörolojik defisitler, kişilik değişiklikleri ve kafa içi basınç artışı gibi semptomlara neden olur. GBM için standart tedavi, mümkünse tümörün şişirilmesini ve ardından Temozolomid4 ile kombine radyasyon tedavisini içerir. Ayrıca, Temozolomid ve Lomustin’in birleştirilmesi, O6-metilguanin-metiltransferaz (MGMT)-promotör metilasyonu 5 olan hastalarda medyan genel sağkalım oranını artırabilir. Bununla birlikte, bu son terapötik yaklaşımlara rağmen, GBM, Tümör Tedavi Alanları (TTFields) eklendiğinde hastaların medyan genel sağkalım oranının 16 aydan 20.9 aya kadar olması ile karakterize edilen, kötü prognozlu tedavi edilemez bir hastalık olmaya devam etmektedir 3,6. GBM’de çeşitli immünoterapötik yaklaşımlar araştırılmıştır, ancak in vivo sınırlı etkinlik göstermiştir. Ayrıca, klinik ve klinik öncesi sınırlamalar terapötik atılımları engellemektedir7. Uygun ve gerçekçi bir ex vivo modelin oluşturulması, GBM’nin inter-8 ve intratumoral9 heterojenliği nedeniyle zor olmuştur.
Konvansiyonel 2 boyutlu (2D) hasta hücre hatları, homojen hücre popülasyonlarını temsil eder ve yüksek verimli ilaç taraması için uygundur. Bununla birlikte, hasta kaynaklı ve ölümsüzleştirilmiş hücre hatları, büyüme koşullarındaki farklılıklar ve çoklu geçişlerden sonra genotipik ve fenotipik özelliklerdeki sapmalar nedeniyle GBM’yi yeterince taklit edemez 10,11,12.
Öte yandan, 3D organoid modeller son zamanlarda organ ve çeşitli kanser türlerinin fenotipik ve moleküler heterojenliğini kopyalayan umut verici sistemler olarak ortaya çıkmıştır 13,14,15,16,17,18. GBM bağlamında, serebral organoidler, tümör benzeri özellikleri 16,17 simüle etmek için genetik olarak modifiye edilmiştir veya tümör hücresi infiltrasyonunuindüklemek için GSC’ler veya sferoidlerle birlikte kültürlenmiştir18,19. Matrigel ve EGF/bFGF ile kültürlenen hasta kaynaklı GBM organoidleri, kök hücre heterojenliği ve hipoksi20 gibi GBM ayırt edici özellikleri sergilerken, bu modelin hastaların neoplazmlarının temel moleküler özelliklerini ne ölçüde temsil edebileceği belirsizliğini korumaktadır.
Hasta kaynaklı GBM organoidleri (PDO’lar), histolojik özellikler, hücresel çeşitlilik, gen ekspresyonu ve mutasyon profilleri dahil olmak üzere benzer ebeveyn tümörlerinin baskın özelliklerini koruyabilen umut verici modellerdir. Ek olarak, yetişkin kemirgen beyinlerine implantasyon üzerine hızla sızarlar ve uyuşturucu testi ve kişiselleştirilmiş tedavi için gerçekçi bir model sağlarlar21. Bununla birlikte, PDO’ları oluşturmak için tümör dokusunu manuel olarak incelemek zaman alıcı ve maliyetlidir. Bu nedenle, bireyselleştirilmiş ilaç testi için umut vaat eden farklı terapötik yaklaşımların kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlayan, çok sayıda PDO üretebilen hızlı bir yönteme acil ihtiyaç vardır. Bu çalışma, otomatik bir doku kıyıcı kullanılarak doğrudan yeni diseke edilmiş tümör dokusundan PDO’ların üretilmesi için yeni bir yöntemi tanımlamaktadır. Ayrıca, bu yöntemle üretilen PDO’lar, PDO sayısı, morfolojik özellikler, apoptoz ve tümör hücrelerinin proliferasyonu açısından aynı hastalardan manuel olarak diseke edilen PDO’larla karşılaştırıldı.
Bu çalışma, PDO’ların oluşturulması için hızlı ve etkili bir yöntem sunmaktadır. GBM, genellikle nüks ve yüksek hastalık yükü ile karakterize, tedavisi zor bir tümör olmaya devam etmektedir 3,6. Yenilikçi terapötik yaklaşımlara acilen ihtiyaç duyulmaktadır, çünkü in vitro olarak gözlenen umut verici sonuçlar genellikle faz-I denemeleri sırasında in vivo etkinlik gösterememektedir. Bu tutarsızlığın nedenlerinden biri, tek katmanlı kültürlerde yetiştirilen, hasta kaynaklı ölümsüzleştirilmiş hücre dizilerinin, ebeveyn tümörünün karmaşık hücre-hücre etkileşimlerini ve genetik özelliklerini yansıtma yeteneğinin sınırlı olması olabilir. GBM8,9’un yüksek inter- ve intratümöral heterojenliği göz önüne alındığında, kişiselleştirilmiş hedefe yönelik tedaviler tercih edilir ve gelecekteki uygulamalar için umut vaat edebilir. 2D yapışık hücre hatlarının aksine, organoidler ebeveyn dokusunun21 özelliklerini koruma yeteneğine sahiptir, ancak tümör ve normal beyin arasındaki karmaşık hücre-hücre etkileşimleri çok önemlidir ve bu model tarafından potansiyel olarak göz ardı edilebilir. Bununla birlikte, PDO’ların manuel olarak oluşturulması zaman alıcı bir süreçtir ve kesim sırasında neşterlerle sıkmanın neden olduğu doku hasarı, başarılı PDO büyümesini engelleyebilir. Bu nedenle, daha az zaman ve çabayla daha fazla sayıda PDO üretmek için bir doku kıyıcı kullanılarak otomatik bir yöntem optimize edildi. Ek olarak, genel proliferasyon ve apoptoz oranlarının iki yaklaşım arasında farklılık göstermediğini gösterdik.
C yaklaşımı basittir, uygulanması kolaydır ve daha fazla sayıda PDO oluşturulmasını sağlar (Şekil 3). Dokunun ikinci ve üçüncü doğrama turları arasındaki rotasyonu, protokolde kritik bir adım olarak tanımlandı. Bu aşamada, doku zaten bütünlüğünü kaybetmiştir ve kolayca parçalanabilir, bu da mikroskop altında ek kesim veya manuel diseksiyon gerektiren daha büyük parçalara neden olur. Otomatik kıyıcı yaklaşımı, daha yüksek doğrulukla önceden ayarlanmış bir kesme boyutuna izin verirken, manuel yaklaşım, PDO’ların boyutunu belirlemede hassasiyetten yoksundur ve bu da karşılaştırmalı ilaç taraması için bir dezavantaj olan eşit olmayan şekilli ve boyutlu PDO’lara yol açar (Şekil 2). Bununla birlikte, önerilen yöntemle, PDO başına hücre sayılarının standardizasyonu sağlanamamakta ve bu da potansiyel olarak standartlaştırılmış ilaç tarama protokolleri için bir dezavantaj oluşturmaktadır. Farklı organoid üretim tekniklerinin avantaj ve dezavantajları 18,19,20,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,
37,38,39,40,41,42 ve uygulamaları Tablo 3’te özetlenmiştir.
GBM dokusunun kıvamı, sertten (infiltrasyon bölgesi) yumuşaka (nekrotik çekirdek) kadar değişebilir ve bu da otomatik kıyıcı yaklaşımı için zorluklar oluşturabilir. Doku çok sertse, doğrayıcı onu sıkıştırabilir ve zarar verebilirken, çok yumuşak doku ezilebilir. Seçilen doku, kahverengi veya sarı renk değişikliği göstermek yerine ara sıra pembemsi-grimsi bir renklenmeye sahip orta düzeyde sıkılık da dahil olmak üzere ayırt edici özellikler sergiledi. Süngerimsi ve kolayca ufalanabilen bir dokuya sahip olan doku, agaroz blokları içinde üstün koruma gösterirken, aşırı derecede hassas ve sıvılaştırılmış tümör dokusu örnekleme prosedüründen çıkarıldı. Bununla birlikte, kıyıcı yaklaşımı, optimal olmayan kıvamdaki dokularda bile, manuel yaklaşıma kıyasla daha fazla sayıda PDO’nun başarılı bir şekilde oluşturulmasını sağladı. Anahtar çözüm, tümörün farklı bölgelerinden dokuyu işlemek için tümör rezeksiyonunu yapan cerrahla yakın etkileşimi sürdürmektir. Optimal olmayan doku kıvamı durumlarında, dokuyu mikroskop altında manuel olarak yeniden işlemek, doğramadan sonra yararlı bir katkı oldu. Heterojenliği hesaba katmak için, tümör dokusu başlangıçta altı segmente ayrıldı ve her biri daha sonra C veya M yaklaşımı için yarıya indirildi. Bu altı farklı bölümde, önemli derecede heterojenlik beklenmektedir. Ayrıca, aynı bölümden veya kuyudan PDO’lar içinde bile, farklı alt popülasyonların varlığı akla yatkındır.
Kavram kanıtı olarak, iki GBM’li hastadan ve LGG’li bir hastadan proliferasyon ve apoptoz verileri bildirildi ve iki yöntem arasında anlamlı bir fark görülmedi. PDO’ların oluşumu yüksek derecede kötü huylu beyin tümörleri ile sınırlı değildir, aynı zamanda LGG’lere de uygulanabilir. Bu çalışma, LGG’nin 2D kültürde nadiren büyüme gösterdiğini ve çalışmaları için doğru bir modelin geliştirilmesini oldukça değerli hale getirdiğini vurgulamaktadır. Bu protokol, GBM’den ve LGG’den PDO’ların hızlı ve etkili bir şekilde üretilmesinde bu yaklaşımın çok yönlülüğünü göstermeyi amaçlamaktadır.
Genel olarak, PDO’lar gelecekte malign beyin tümörlerinde hedefe yönelik tedavilerin hasta odaklı tedavi öncesi testleri için kullanılabilir. Bireyselleştirilmiş ilaç taraması için hızlı ve etkili bir yöntem sağlamak çok önemlidir, çünkü tümör ilerlemesi hızla gerçekleşir ve kurtarma tedavisi seçeneklerine umutsuzca ihtiyaç duyulur. Bir sonraki adım olarak, PDO modeli, gerçek tedavi yanıtlarını daha iyi taklit etmek için çeşitli immünoterapötik yaklaşımlarla değerlendirilebilir. Gelecekte, PDO’lar, klinik bir ortamda tedavilerin daha fazla araştırılması ve değerlendirilmesi ihtiyacına ilişkin karmaşık sonuçlar çıkarmak için kullanılabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu araştırma, Disiplinlerarası Klinik Araştırma Merkezi (IZKF, B-450) Würzburg, Bavyera Kanser Araştırmaları Merkezi (BZKF) ve Würzburg Üniversitesi Açık Erişim Yayın Fonu tarafından desteklenen yayın tarafından finanse edilmiştir. Würzburg Üniversite Hastanesi Nöroşirürji Bölümü, Deneysel Nöroşirürji Bölümü’nden Dagmar Hemmerich ve Siglinde Kühnel’e teknik destek için teşekkür ederiz. Şekil 1, www.biorender.com kullanılarak oluşturulmuştur.
2-mercaptoethanol (1000x) | Gibco | 21985023 | |
30% formaldehyde methanol-free | Carl Roth | 4235.1 | Used in 4% concentration |
70% ethanol solution | For sterilisation | ||
Agarose tablets 0.5 g | Carl Roth | HP67.7 | |
Amphotericin B 250 µg/mL | Gibco | 15290018 | |
Anatomical forceps | Hartstein | N/A | |
Anatomical spatula | Hartstein | N/A | |
B-27 Supplement without vitamin A (50x) | Gibco | 12587010 | |
Biopsy cassette with cover | Resolab | 37001-b | |
Blades for McIlwain Tissue Chopper | Campden instruments | Model TC752-1 | |
CC3 antibody (Asp 175) | Cells signaling technology | 9661 | |
Disposable scalpel | Feather | 0200130015 | |
Distilled water | Gibco | 15230089 | To dilute the formaldehyd |
Dulbecco's Modified Eagle Serum Nutrient Mixture (DMEM) F-12 (1:1) (1x) | Gibco | 11330032 | Includes L-Glutamine and 15 mM HEPES |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma Life Sciences | D8537-500ML | Modified, without calcium, chloride and magnesium chloride, liquid, sterile-filtered, suitable for cell culture |
eBioscience 1x RBC Lysis Buffer | Invitrogen | 433357 | |
Falcon tube 50 ml Cellstar | Greiner Bio-One | 227261 | |
GFAP antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc33673 | |
Glass beaker | N/A | N/A | |
Glass petri dish | N/A | N/A | |
GlutaMAX (100x) | Gibco | 35050061 | |
Heracell 240i CO2 Incubator | Thermo scientific | 51032875 | |
Herasafe 2025 Biological Safety Cabinet | Thermo scientific | 5016643 | |
Hibernate-A | Gibco | A1247501 | |
Histoacryl glue | B. Braun surgical | 1050052 | |
Human Insulin, Solution | Santa Cruz Biotechnology | sc-360248 | |
Ice box | N/A | N/A | |
Ki67 antibody | Abcam | ab16667 | |
McIlwain Tissue Chopper | Cavey Laboratory Engineering | 51350V | |
Microscope Leica DMI 3000B, DMI 4000B, DMI 6000B | Leica | DMI6000B | For brightfield and immunofluorescence pictures |
Microscope stereozoom S9D | Leica | W841832 | For manual cutting and to organoids monitoring |
Microwave | Bosch | N/A | To heat the agarose solution |
Mounting plastic discs | Cavey Laboratory Engineering | 51354 | |
N-2 Supplement (100x) | Gibco | 17502048 | |
NEM Non-Essential Amino Acids (NEAA) (100x) | Gibco | 11140050 | |
Neurobasal (1x) | Gibco | 21103049 | |
Orbital shaking machine Rotamax120 | Heidolph | 10304491 | |
Penicilin Streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Plastic petri dishes Cellstar | greiner bio-one | 628160 | n = 12 |
Single channel pipette 1000 µm | Eppendorf | 4924000010 | |
Single channel pipette 5000 µm | Eppendorf | EP3123000276 | |
Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) version 23.0 | IBM | ||
Surgipath Paraplast | Leica | 39601006 | Embedding medium |
Ultra-low attachment Nucleon Sphera 6-well plate | Thermo Scientific | 174932 |