Drug targeting aan tumoren van het centrale zenuwstelsel is een grote uitdaging. Hier beschrijven we een protocol om te produceren van een in vitro nabootsen van de bloed-hersen tumor-barrière lymfkliertest en/of menselijke cellen gebruiken en bespreken het belang ervan voor de voorspelbaarheid van het centrale zenuwstelsel tumor targeting in vivo.
Zeer selectief door de natuur, de bloed – hersenbarrière (BBB) is essentieel voor de hersenen homeostase in fysiologische omstandigheden. Echter, in het kader van hersentumoren, de moleculaire selectiviteit van BBB ook beschermt de neoplastische cellen door het blokkeren van de levering van ook door de overheid gereguleerde chemokuren. De ontwikkeling van nieuwe medicijnen (waaronder nanodeeltjes) gericht op kwaadaardige hersentumoren ideaal vereist het gebruik van preklinische diermodellen om te bestuderen van de drug transcytosis en antitumorale werkzaamheid. Om te voldoen aan het 3R-principe (verfijnen, verminderen en vervangen) te verminderen van het aantal proefdieren in experimentele opzet en uitvoeren van de high-throughput screening van een grote bibliotheek van antitumorale agenten, ontwikkelden we een reproduceerbare in vitro mens en lymfkliertest nabootsen van de tumor bloed-hersen-barrière (BBTB) met behulp van drie lagen culturen van endotheliale cellen, astrocyten en patiënt afkomstige glioblastoma sferen. Voor een hogere schaalbaarheid en reproduceerbaarheid, commerciële cellijnen of vereeuwigd cellen zijn gebruikt in op maat gemaakte voorwaarden om de vorming van een barrière die lijkt op de werkelijke BBB. Hier beschrijven we een protocol voor het nabootsen van een BBTB door het kweken van endotheliale cellen in contact met de astrocyten bij specifieke cel dichtheden op inzetstukken. Deze BBTB nagebootst kan worden gebruikt, bijvoorbeeld voor de kwantificering en confocal beeldvorming van de nanoparticle-passage door de barrières endotheel en astrocytic, naast de evaluatie van de tumor cel gericht op binnen de dezelfde bepaling. Bovendien laten we zien dat de verkregen gegevens kunnen worden gebruikt om te voorspellen van het gedrag van nanodeeltjes in preklinische diermodellen. In een breder perspectief, dit in vitro model kan worden aangepast aan andere neurodegeneratieve ziekten voor de bepaling van de passage van nieuwe therapeutische moleculen door de BBB en/of worden aangevuld met hersenen organoids direct het evalueren van de werkzaamheid van drugs.
De neurovasculaire eenheid bestaat uit neuronen, astrocyten en de BBB, gevormd door ingewikkelde verbindingen tussen pericytes, astrocyten, endotheliale cellen en de bijbehorende kelder membraan vorming van de hersenen microvasculature1. Deze strakke cellulaire muur gevormd door continue, nonfenestrated schepen fijn regelt de beweging van ionen en moleculen (met inbegrip van hormonen, voedingsstoffen, of drugs), maar ook van de circulerende cellen1. De met name lage transcytosis door middel van de BBB van hoog-moleculair-gewicht moleculen, zoals therapeutische antistoffen, drug geconjugeerde of nanocompounds, beperkt drastisch de vooruitgang in de drugontdekking voor neurologische ziekten, waaronder maligne gliomen2. Inderdaad, oraal of intraveneus geleverde chemokuren bereikt de hersenen parenchym vaak bij onvoldoende lage concentraties voor het opwekken van een antitumorale effect of zijn eenvoudigweg niet in staat om de BBTB te bereiken de neoplastische cellen3Kruis. Verschillende preklinische en klinische studies niet behandeld met de kwestie van de penetratie van de BBTB, maar hebben geprobeerd te verstoren de BBTB Transient, bijvoorbeeld met behulp van gerichte ultrasounds4,5, of te omzeilen het door de directe in situ levering van drugs6. Echter, geen van deze technieken waren kunnen neutraliseren de uitbreiding onvermijdelijk tumor of terugvallen. Dus, bij het ontwikkelen van nieuwe antiglioma therapieën, de verspreiding via de BBTB moet worden beschouwd als een van de essentiële aspecten voor de succesvolle levering van de therapeutische agenten7.
Vanwege de zeer complexe aard van de interacties van de cel binnen de BBTB, in vivo onderzoek bij proefdieren lijken te zijn van de hand liggende keuze bij de studie van de overgang van moleculen van bloed naar de hersenen. Hoge-schaal in vivo methoden zijn echter relatief complex om te stellen en, dus, laat niet de high-throughput screening van moleculen in een redelijke termijn tegen een redelijke prijs. Nog belangrijker, moet dierproeven volgen de 3R ethische richtsnoer gedefinieerd als i) verfijnen, ii) beperking en, van belang zijn voor de huidige context, iii) te vervangen door alternatieve protocollen (bijvoorbeeld in vitro/in silico methoden). Daarom herscheppen van de BBTB in vitro verschijnt als een interessante en aantrekkelijke mogelijkheid, maar het vormt ook een complexe taak uitgedaagd door verschillende beperkingen. Veel probeert te herscheppen van deze complexe compartiment met gekweekte primaire cellen of cellijnen van honden, varkens, lymfkliertest en zelfs menselijke oorsprong zijn gepubliceerd (zoals herzien door Rahman et al.8 en Helms et al.9). Deze modellen zijn voorzien van drie-dimensionale microfluidic systemen10, BBB-on-a-chip11,12, en menigten van varianten gebaseerd op de klassieke co culturen in voegt systemen. Huidige microfluidic en chip systemen zijn echter niet geschikt voor snelle, hoge-doorvoer drug-validatie studies13,14 of zijn momenteel niet compatibel met studies van de drug levering aan hersentumoren. Bovendien, de herziening van 155 gepubliceerde modellen met behulp van primaire cellen, afleidbare pluripotente stamcellen (iPSC) of commerciële cellijnen alle mede gekweekte op inzetstukken toonde een trend voor interstudy discrepantie in hun metingen en/of conclusies8. Dit gebrek aan interlaboratory reproduceerbaarheid kan worden gecorreleerd met i) nonnormalized kweekomstandigheden, bijvoorbeeld met de optionele coating met kelder matrix membraaneiwitten in de cel cultuur vaartuig, ii) een toenemend aantal subcultuur en gebruik van serum-bevattende media, beide grote bestuurders van genetische en fenotypische wijzigingen van de cel lijnen15, of iii) de moeilijkheid om de reproducibly opnieuw het juiste evenwicht tussen de astroglial en endotheel componenten in een schotel. Hoewel het gebruik van vereeuwigd cellen of commerciële cel lijnen om een in vitro model van de BBB ontbreken enkele van de eigenschappen in vergelijking met soortgelijke modellen die alleen gebruikmaken van primaire cellen, in de beschreven methode laten we zien dat de juiste combinatie van exposities cellen een zeer vergelijkbare prestaties aan publiceerde studies in andere modellen van referentie16,17. Uiteindelijk, het ontbreken van een robuuste en reproduceerbare model te bestuderen van de passage van therapeutische stoffen gericht op hersentumoren door middel van de BBTB gemotiveerd ons de hier beschreven methoden te ontwikkelen.
Aangezien het doel was om te gebruiken het model om te voorspellen de in vivo levering van nanodeeltjes in preklinische diermodellen, we eerst het BBTB-model met behulp van inzetstukken met lymfkliertest endotheliale cellen in contact met lymfkliertest astrocyten gevalideerd. Naast dit, wij ook het model voor het gebruik van bepaalde menselijke cellijnen geoptimaliseerd. Eenmaal gestabiliseerd, worden de cel barrières overgedragen aan culturen met patiënt afkomstige glioblastoma bollen of commerciële glioma cellijnen. Daarna kan de transcytosis van nanodeeltjes en het bereiken van de cel van de tumor worden gevisualiseerd door confocale microscopie en gekwantificeerd door het verzamelen van monsters na verloop van tijd. Bovenal kon resultaten verkregen met behulp van de Nabootsers van de BBTB betrouwbaar voorspellen het gedrag van de nanodeeltjes in vivo, ondersteuning van het gebruik van de BBTB nabootsen voorafgaand de preklinische validatie.
De opkomst van het concept van de variabiliteit interpatient tumor verjongd het onderzoek naar kanker van gepersonaliseerde geneeskunde21. Deze variabiliteit is ook een kenmerk van het centrale zenuwstelsel gezwellen. Als gevolg van de onvoorspelbaarheid van de tumor, reactie op chemotherapie wordt toegevoegd aan het beschermend effect van de BBB voor drug delivery, en over het geheel genomen vormt grote uitdagingen in patiëntenzorg22. Oog op de ontwikkeling van meer effectieve therapieën, is het vaak noodzakelijk naar scherm grote bibliotheken van nieuwe moleculen. De beste optie is om te beoordelen de antitumorale werkzaamheid en het vermogen van de nieuwe therapeutische leads te bereiken de plaats van de tumor, de preklinische studie op patiënt-afgeleide cellen ingeplant lymfkliertest patiënt avatars in vivo. Vanwege praktische (financieel, tijd, mens en faciliteit middelen) en ethische redenen (3V beginsel bij het gebruik van proefdieren), is de ontwikkeling van dergelijke een grootschalig in vivo onderzoek platform vaak niet mogelijk, en dus de cel-gebaseerd testen een model van keuze23blijven. De voornaamste reden voor het selecteren van gevestigde cellijnen en het vermijden van primaire cellen is het vergemakkelijken van de reproduceerbaarheid en vermindering van het gebruik van proefdieren, die de belangrijkste bron voor de isolatie en de totstandbrenging van primaire lymfkliertest culturen. De methoden presenteren hier, kon stevig op de naleving van de 3V, efficiënt negeren nanodeeltjes van een nader preklinisch onderzoek op het criterium van hun onvermogen om over te steken van het model BBTB. Als een bewijs-van-principe beschrijven we hier bevindingen verkregen tijdens de ontwikkeling en validering van de BBTB. We konden bevestigen in vitro bevindingen in vivo, bijvoorbeeld wanneer het meten van de passieve diffusie van een 376 Da natrium-fluoresceïne.
Het protocol beschreven in dit document wordt beschreven op de voorbereiding van endotheliale cellen cocultured met astrocyten vormen een bloed-brain tumor-barrière-achtige interface in een in vitro opstelling. Zodra een fysiek contact tussen deze twee celtypes wordt gevestigd, vertoont het endotheel cellaag gelijkenissen met de BBB (bijvoorbeeld een cel oppervlakte uitdrukking van strakke junction eiwitten en relatief lage permeabiliteit). Interessant is dat leek de lymfkliertest BBTB mimic te bieden met name gelijkaardige waarden van de permeabiliteit van de nb-Fl die verkregen met de in vivo muis BBB permeabiliteit metingen24. Daarom zal de prestaties van de Nabootsers van de BBTB rechtstreeks worden gekoppeld aan de keuze van de cellen die worden gebruikt om te vormen van de barrière. De endotheliale cellen van de bEND3 zijn afkomstig uit de hersenen en staan bekend om succesvol in de vorming van handelsbelemmeringen als cocultured met astrocyten25te zijn. Echter, we gebruiken de vereeuwigd HIFko astrocyten26 voor het genereren van de BBTB nabootsen. Wegens hun gebrek aan hypoxie-afleidbare factor, deze astrocyten niet produceren VEGF-A, die is het ultieme in de BBTB nabootsen van stabilisatie die hier worden beschreven. Astrocyten zijn geïdentificeerd als modulatoren van de BBB-permeabiliteit, bijvoorbeeld door de vrijlating van VEGF-A in reactie op de neuroinflammation27. Activering van de vasculaire endotheliale groeifactor receptoren (VEGFRs) is een belangrijke regulator van het endotheel/vasculaire permeabiliteit zowel in vitro28 en in vivo29. Daarom activeren VEGF-A supplementen in het medium de VEGFR2 op de endotheliale cellen, die de fosforylatie van adherens junction eiwitten zoals VE-cadherine30induceert. Het verlies van endothelial cel contacten genereert zeer doorlaatbare bloedvaten. Ook de sterke mitogene eigenschap zowel onbekende samenstelling van de foetale boviene sera gebruikt in de cel cultuur testen grote problemen veroorzaken in de barrière stabilisatie en assay reproduceerbaarheid.
Menselijke navelstreng ader endotheliale cellen (HUVECs) worden soms gebruikt voor het vormen van BBB in vitro31; echter ze aanzienlijk afwijken van de hersenen microvasculaire endotheliale cellen, zoals de cel hCMEC/D3 lijn32, in termen van genexpressie en barrière-vormende eigenschappen. De relatief hogere permeabiliteit waarden, verkregen met de cellen van de HuAR2T alleen gegroeid ten opzichte van de bEND3 waren echter sterk verminderd door coculturing hen met menselijke primaire astrocyten. Hoewel de endotheliale cellen vormen van de cellulaire muur moeten, is het duidelijk dat de astrocyten hebben een even belangrijke rol spelen voor de vorming van de BBTB en stabilisatie.
Wanneer de patiënt afkomstige glioma bollen zijn toegevoegd aan deze vergelijking, de muis BBTB mimic gerecapituleerd enkele van de kenmerken van lymfkliertest xenografts, zoals de verspreiding van drugs via de hersenen-therapieën en het richten van de cel van de tumor. De Nabootsers van de BBTB hier besproken is gelukt, bijvoorbeeld in de spiegeling van het in vivo gedrag wanneer we gescreend verschillende nanodeeltjes met verschillende diameters. Om te illustreren het parallellisme tussen de in vitro en in vivo modellen, gebruikten we de hierboven beschreven mesoporous silicaat nanopartikels33 met cel-penetrating eigenschappen34 geconjugeerd met de tumor-targeting peptide CooP op hun surface20. De CooP-targeting peptide huizen aan invasieve tumorcellen via de specifieke binding aan de borstklier afkomstige groei remmer (MDGI). Verschillende vormen van kanker, met inbegrip van gliomen, zijn MDGI in vergelijking met de normale weefsel35, waardoor de CooP een zeer efficiënte tumor-targeting deel staat voor het verhogen van de levering van een nettolading20overexpressing. De nanodeeltjes die hier gebruikt is eerder gebleken om te verspreiden in de hersenen parenchym (27547955), en toen matiemaatschappij met Taxol, deze nano-cargos geweest zijn succesvol in het terugdringen van de groei van glioma in preklinische modellen36. De toevoeging van polyethyleenglycol (PEG) residuen op het oppervlak van de nanodeeltjes onderhouden ook hun statische lading naar positieve waarden (rond + 4 mV), waardoor betere interactie met de neurovasculaire eenheid37 en ook het verhogen van hun stabiliteit in omloop. In de gepresenteerde gegevens, was 3 kDa van PEG geconjugeerd met NP110s, terwijl NP350s met 10 kDa van PEG bedekt waren. Echter verhoogd-moleculair-gewicht PEG ook geleid tot een aanzienlijke toename van de nanoparticle diameter, vandaar hun fysieke vermogens te steken van de BBB. Dus, wij gecontroleerd of de fysieke afmetingen van de deeltjes voorkomen hun passage door de BBTB en of deze opmerkingen kunnen worden gespiegeld in vivo.
Overeenkomstig de eerder gepubliceerde opmerkingen, we kunnen constateren dat de NP110s via de BBTB in vitro en de BBB van muizen die intracraniële tumoren, terwijl NP350s op de luminal kant van de BBTB nabootsen en in de bloedvaten van achtergebleven extravasated de muizen. Deze vergelijkbare resultaten raden dat het BBTB-model het in vivo vermogen van nanodeeltjes voorspelde te steken van de BBB en de hersenen bereiken.
De relevantie van cellulaire modellen van de BBB wordt vaak besproken, zelfs voor de middenafleg van nanodeeltjes38. Laten we zien hier dat primaire astrocyten en endotheliale cellen, zowel beschouwd als de meest relevante hulpmiddelen voor in vitro kunnen worden vervangen door vereeuwigd en/of commercieel beschikbare cellen, zorgen voor grotere schaalbaarheid en reproduceerbaarheid. De volgende generatie van de in vitro BBB nabootsers kan worden ontwikkeld door de integratie van de microfluidic-apparaten, waardoor prachtig gevormde neurovasculaire eenheden die structureel lijken op de werkelijke BBB12,14. Deze modellen zijn echter momenteel ongeschikt voor de high-throughput screening van moleculen aan gliomen, als gevolg van technische beperkingen in de follow-up van de levering14geleverd. Het is inderdaad moeilijk te vangen de fysiologische complexiteit van de BBB in een schotel, en het mogelijke gebrek aan sommige receptoren/eiwitten, bekend moet worden uitgedrukt door de BBB, de interpretatie van de resultaten in gevaar kan brengen. Een ander argument betreft de grote variabiliteit in genexpressie tussen in vivo en in vitro voorwaarden alsook uit één cel naar de andere, vooral gezien endotheliale cellen. Er kan echter ook worden betoogd dat de neurovasculaire-eenheid geen uniforme entiteit binnen de hersenen39 is. Wetenschappelijk onderzoek in de biologie heeft bereikt een humane tijdperk waar het dierenwelzijn, ethische verantwoordelijkheid en de kosten van het gebruik van dierlijke leven worden altijd beschouwd voor het ontwerpen van een experiment. Daarom, ter ondersteuning van de vervanging van dieren, een toenemend aantal recente studies tonen aan dat het besef van de beperkingen van de modellen en de zorgvuldige keuze van de cellulaire modellen om de barrière — met de nadruk op de astrocyten — garandeert een wedstrijd tussen de resultaten verkregen in een schotel en in dierlijke modellen40. Met de hier beschreven methode, krijgen we een stap dichter bij het verminderen van het aantal proefdieren gebruikt voor screeningonderzoek voor BBB transcytosis voor potentiële therapeutics.
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd gesteund door subsidies van de Finse kanker organisaties, Jane & ihmissusi Erkko Foundation, en Sigrid Juselius Foundation (aan P.L. en V.L.J.), de Zwitserse National Science Foundation (Advanced Postdoc.Mobility verlenen neen: P300PB_164732, naar de S. K.), de Orion Research Foundation (SK) de Maud Kuistila Memorial Foundation (SK) en de Academie van Finland (TERVA 2017, verlenen neen: 314 498). De Biomedicum Imaging eenheid (Helsinki) is erkend voor het verstrekken van de microscopie imaging core faciliteit.
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 |