Hier beschreiben wir eine Methode, um Organoide des Glioblastoms (GBM) aus primären Patientenproben oder von Patienten stammenden Zellkulturen zu erzeugen und bis zur Reife zu erhalten. Diese GBM-Organoide enthalten phänotypisch vielfältige Zellpopulationen und bilden Tumormikroumgebungen ex vivo nach.
Das Glioblastom (GBM) ist der am häufigsten auftretende primäre maligne Hirntumor mit extrem schlechter Prognose. Intratumorale zelluläre und molekulare Vielfalt sowie komplexe Wechselwirkungen zwischen Tumormikroumgebungen können die Suche nach wirksamen Behandlungen zu einer Herausforderung machen. Traditionelle Adhärenz- oder Kugelkulturmethoden können solche Komplexitäten maskieren, während dreidimensionale Organoidkulturen regionale Mikroumweltgradienten rekapitulieren können. Organoide sind eine Methode der dreidimensionalen GBM-Kultur, die die Tumorarchitektur des Patienten besser nachahmt, phänotypisch vielfältige Zellpopulationen enthält und für Experimente mit mittlerem Durchsatz verwendet werden kann. Obwohl die dreidimensionale Organoidkultur im Vergleich zur traditionellen Kultur aufwändiger und zeitaufwendiger ist, bietet sie einzigartige Vorteile und kann dazu dienen, die Lücke zwischen aktuellen In-vitro- und In-vivo-Systemen zu schließen. Organoide haben sich als unschätzbare Werkzeuge im Arsenal der Krebsbiologen etabliert, um das Tumorverhalten und die Resistenzmechanismen besser zu verstehen, und ihre Anwendungen wachsen weiter. Hier werden Methoden zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von GBM-Organoiden beschrieben. Anweisungen zur Durchführung der Einbettung und Schnittierung von Organoidproben sowohl mit gefrorenen als auch mit Paraffin-Einbettungstechniken sowie Empfehlungen für Immunhistochemie und Immunfluoreszenzprotokolle für Organoidschnitte und die Messung der Lebensfähigkeit der gesamten Organoidzellen werden ebenfalls beschrieben.
Das Glioblastom (GBM) ist der am häufigsten auftretende primäre Hirntumor mit einer düsteren Prognose von etwa 15 Monaten ab Diagnose1. Behandlungen, die in präklinischen Studien wirksam sind, können bei Patienten oft schlecht wirksam sein 2,3. Ein schlechtes klinisches Ansprechen wird auf viele Faktoren zurückgeführt, einschließlich der Mikroumweltheterogenität von GBM und komplexer intratumoraler Interaktionen. Diese können im Labor mit traditionellen Adhärent- oder Kugelkulturmethoden nur schwer nachgebildet werden4. Das Vorhandensein einer Untergruppe selbsterneuernder Krebsstammzellen (CSCs) in GBM kann ebenfalls zu dieser Komplexität beitragen 5,6. CSCs sind entscheidend für die Tumorausbreitung und halten das Tumorwachstum aufrecht, indem sie die aktive Angiogenese, die Krebsinvasion und die Resistenz gegen Therapien einschließlich Strahlungfördern 7,8,9. CSCs sind nicht gleichmäßig über Tumoren verteilt, sondern werden in spezifischen Mikroumgebungen angereichert, einschließlich der perivaskulären Nische und perinecrotischen Regionen, die jeweils eine eindeutige molekulare Regulation ihrer zellulären Zustände bieten 10,11,12,13,14. CSCs sind keine passiven Empfänger von Mikroumgebungshinweisen, sondern besitzen die Fähigkeit, ihre eigene Mikroumgebung umzugestalten 7,15,16. Die Mikroumgebung eines CSC kann die Aufrechterhaltung des Stammzellzustands als Reaktion auf Belastungen wie Nährstoffknappheit, pH-Wert und Hypoxiefördern 17,18,19,20, was auf die Bedeutung dieser Bedingungen in einem Modellsystem hindeutet. Die Rekapitulation der vielfältigen zellulären Mikroumgebung innerhalb von Tumoren ist daher entscheidend für das Verständnis therapeutischer Resistenzen und die Identifizierung neuartiger Therapien.
Die dreidimensionale Kultur hat in den letzten Jahren an Popularität gewonnen21,22. Organoide wurden bei anderen Krebsarten eingesetzt, und das Hauptziel der Erhaltung von Zellen als Organoide besteht darin, das Wachstum heterogener Zellpopulationen (von denen viele normalerweise in einer homogeneren Kugelkultur überholt werden können) und räumliche Vielfalt zu ermöglichen, die als regionale Tumormikroumgebungen mit genetischer Spezifität angesehen werden 4,23,24,25,26 . Es gibt viele Methoden zur dreidimensionalen Kultur von Krebszellen, die jeweils Vor- und Nachteilehaben 27,28,29. Die Organoidkultur soll kein Ersatz für die traditionelle Anhänger- oder Sphärenkultur sein. Es wird am besten als ergänzende Technik zu zweidimensionalen Methoden verwendet, wenn es spezifische Fragen gibt, bei denen die Interaktion zwischen Zellmikroumgebung und Tumorzellantworten kritisch ist.
Dieser Artikel beschreibt zuverlässige und wiederholbare Methoden zur Erzeugung von GBM-Organoiden aus primären Patientenproben oder aus Patientenkulturen. Wir adressieren zwei verschiedene Ziele für die dreidimensionale Organoidkultur: (1) die Etablierung von Organoiden aus primärem Patientengewebe mit maximalem Engraftment-Potenzial unabhängig von der Einheitlichkeit oder (2) die Züchtung einheitlicher Organoide für eine quantitativere experimentelle Verwendung. Bei der Etablierung einer primären Probe als Organoide ist es nicht notwendig, nach einzelnen Zellen zu filtern oder Zellen zu zählen, da die Beibehaltung maximaler Zellzahlen und -typen zur Bestimmung der ursprünglichen Kultur Priorität hat. Bei der Züchtung von Organoiden für Vergleichsexperimente sind jedoch Einzelzellfiltration und Zellzählung erforderlich, um sicherzustellen, dass Replikationsorganoide hinsichtlich der experimentellen Konsistenz vergleichbar sind. Dieses Protokoll beschreibt, wie Organoidkulturen etabliert und einheitliche Organoide erstellt werden, sowie verfeinerte Methoden zur Einbettung und Konservierung von Organoiden und Standard-Zellkulturexperimenten, einschließlich Immunhistochemie, Immunfluoreszenz und Bewertung der Gesamtzelllebensfähigkeit in GBM-Organoiden.
GBM-Organoide sind eine komplementäre Kulturmethode zu traditionellen Sphären, die eine größere zelluläre und mikroökologische Heterogenität aufweisen 4,22,30. Obwohl zeit- und ressourcenintensiver, kann die Organoidkultur wertvolle Einblicke in das intratumorale Verhalten und die Mechanismen der Arzneimittelresistenz bieten.
GBM wird von einer Population von CSCs 5,31 angetrieben, und diese Methoden wurden entwickelt, um ein kontinuierliches Wachstum und eine Selbsterneuerung dieser CSC-Population zu ermöglichen. Es ist bekannt, dass der epidermale Wachstumsfaktor (EGF) und der Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF) die Erhaltung und das Wachstum von Stammzellen verbessern und eine aktive Rezeptor-Tyrosinkinase (RTK)-Signalisierung bereitstellen. Die Bildung heterogener Zellpopulationen und unterschiedlicher Tumormikroumgebungen innerhalb von GBM-Tumoren beruht auf der Unterstützung des CSC-Verhaltens. Die Auswahl eines lrECM ahmt die lamininreiche Gehirnumgebung nach und unterstützt die Zellen in Organoidkultur dabei, sich selbst zu organisieren und durch Invasion zu migrieren. Obwohl einige Gruppen eine Organoidkultur ohne die Verwendung eines lrECM- oder EGF/FGF-angereicherten Mediums24,28 etabliert haben, was eine zeiteffizientere Art dieser Kulturmethode und eine stärkere Auswahl onkogener Signale zur Wachstumsförderung bieten kann, wurden diese Methoden ausgewählt, um die Pro-Stammzellumgebung zu optimieren, um die zelluläre Heterogenität von Organoiden bestmöglich zu bestimmen. Sowohl zerebrale Organoide als auch GBM-Organoide wurden mit lrECM in der Literatur zuvor 21,32,33 hergestellt. Obwohl wir Daten über die Tumorpopulationen in Organoiden und die räumliche Variation gesammelt haben, ist weniger über Nicht-Tumorpopulationen innerhalb der Organoide bekannt und wie lange sie von den ursprünglichen Patientenproben überleben. Bestimmte IHC-Färbungen (wie CD45) können diese Daten liefern und könnten in Zukunft ein interessanter Forschungspunkt mit Organoiden sein.
Die Kenntnis des Verwendungszwecks für die Organoidkultur ist wichtig für die Auswahl geeigneter Methoden. Die Etablierung von Organoiden aus Primärproben im Vergleich zur Züchtung einheitlicher Organoide für spezifische Experimente hat leicht unterschiedliche Verfahren. Ein Verständnis dafür, wie Organoide reifen und das lrECM-Gerüst visuell ausfüllen, ist wichtig, um in der Lage zu sein, die richtige Zeit und Ressourcen für die Organoidkultur bereitzustellen. Dünne Zellregionen in Organoiden dehnen sich langsam aus und wachsen, um die lrECM zu füllen, was je nach Verhalten der Probe zwischen 2 und 8 Wochen dauern kann. Diese Wachstumsrate ist für jedes Exemplar etwas intrinsisch; Es ist über verschiedene Chargen von Organoiden konserviert und stimmt ziemlich konsistent mit der relativen Rate des Kugelwachstums. Organoide können über 1 Jahr lang aufrechterhalten werden und behalten die Fähigkeit zur Tumorbildung auf Xenotransplantat in Mäusen; Es wird jedoch empfohlen, sie mit einem bestimmten Zweck anzubauen, um keine Laborressourcen (sowohl Materialien als auch Zeit) zu verschwenden4. Das Organoidwachstum wurde in mehreren Well-Größen und -Formaten getestet und zeigt, dass eine 10-cm-Platte die ideale Einstellung für die Aufrechterhaltung einer optimalen Zelllebensfähigkeit ist, gefolgt von einer 6-Well-Platte mit drei Organoiden pro Welle34. Organoide verbrauchen im Vergleich zu ihren zweidimensionalen Kulturgegenstücken mehr Medien, und die Verwendung eines kleineren Well-Formats führt nicht zu einer ordnungsgemäßen Wartung. Zum Beispiel hat eine Vertiefung einer Platte im 96-Well-Format nicht genügend Platz oder Medienvolumen im Verhältnis zur Größe eines Organoids, um das Organoidwachstum aufrechtzuerhalten.
Wie sich Organoide etablieren, ist es wichtig, aufmerksam zu sein, um den Erfolg zu steigern. Anfangs konsumieren Organoide Medien langsam, aber wenn sie dichter und reifer werden, werden sie Medien schneller konsumieren. Die Zugabe von Phenolrot zu den Medien kann als Indikator für den Medienverbrauch dienen. Wenn die Medien gelber sind, können wir das Fütterungsmuster anpassen, sei es, um ein höheres Medienvolumen auszutauschen, die Gesamtmedienmenge in der Platte zu erhöhen, Organoide auf mehrere Zellkulturplatten zu verteilen, um mit ihrem Wachstum Schritt zu halten, oder sogar den Zeitplan für Experimente anzupassen.
In vielerlei Hinsicht sind Organoide eine ineffiziente Art, Krebsforschung zu betreiben. Sie beinhalten lange Zeitskalen und sind im Vergleich zur GBM-Sphärenkultur teuer und ressourcenintensiv. Im Vergleich zu patientenbasierten Xenotransplantaten, einer alternativen Methode zur Wiederherstellung der zellulären und mikroökologischen Vielfalt, sind sie jedoch einfacher, kostengünstiger und kontrollierbarer. Die Auswahl, wann Organoide am besten verwendet werden sollen, ist für Krebsforscher wichtig. Sie sind nicht dazu gedacht, traditionelle Sphären oder zugehörige Kulturen zu ersetzen und Xenograft-Modelle nicht zu ersetzen. Organoide können, wenn sie auf die richtige wissenschaftliche Frage angewendet werden, die Vorteile dieser beiden Systeme kombinieren und es uns ermöglichen, die Tumorzellbiologie zu beobachten, die sonst verborgen bleiben würde. Die wissenschaftliche Gemeinschaft beginnt gerade erst zu verstehen, welche Lernmöglichkeiten Organoide bieten, aber es ist klar, dass sie in Zukunft ein unschätzbares Werkzeug für das Verständnis der komplexen Biologie von GBM sein werden.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Dr. Justin Lathia für seine unschätzbaren Ratschläge und seine kontinuierliche Unterstützung. Wir danken auch Katrina Fife, Lisa Wallace und Maya Camhi für ihre hervorragende technische Unterstützung.
3,3-Diaminobenzidine (DAB) tablets | MP Biomedicals | 08980681 | 3,3-Diaminobenzidine (DAB) tablets |
96-well PCR plates | ThermoFisher Scientific | 96-well PCR plates | |
Accutase | ThermoFisher Scientific | SCR005 | Cell detachment solution |
Antibiotic-antimycotic | ThermoFisher Scientific | 15240062 | Antibiotic-antimycotic |
B-27 supplement minus vitamin A | ThermoFisher Scientific | 12587001 | B-27 supplement minus vitamin A (50x) |
GelCode Blue Stain Reagent | ThermoFisher Scientific | 24590 | Bluing reagent |
Cell strainer (70 µm) | CellTreat Scientific | 229483 | Cell strainer (70 µm) |
CellTiter-Glo 3D | Promega | G9681 | Luminescent cell viability assay |
Clarifier 2 | ThermoFisher Scientific | 7301 | Nuclear hematoxylin clarifying reagent |
Clear-Rite 3 | ThermoFisher Scientific | 6901 | xylene substitute |
Epredia Gill 2 Hematoxylin | ThermoFisher Scientific | 72504 | Hematoxylin |
Glutamine in 0.85% NaCl | ThermoFisher Scientific | 35050061 | Glutamine in 0.85% NaCl (200 mM) |
Matrigel | ThermoFisher Scientific | 354234 | Laminin-enriched extracellular matrix |
Mini PAP pen | ThermoFisher Scientific | 008877 | Hydrophobic barrier pen |
Mounting medium | ThermoFisher Scientific | 22-050-102 | Mounting medium |
Neurobasal media minus phenol red | ThermoFisher Scientific | 12349015 | Neurobasal media minus phenol red (500 mL) |
Normal donkey serum (NDS) | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | Normal donkey serum (NDS) |
Paraformaldehyde 4% in PBS | ThermoFisher Scientific | AAJ19943K2 | Paraformaldehyde 4% in PBS |
Phenol red | Sigma | P0290 | Phenol red (0.5%) |
ProLong Gold Antifade Mountant with DAPI | ThermoFisher Scientific | P10144 | Liquid curing mountant |
Recombinant human EGF protein | R&D systems | 236-EG-01M | Recombinant human EGF protein (250 µg/mL) |
Recombinant human FGF basic | R&D systems | 4144-TC-01 | Recombinant human FGF basic (250 µg/mL) |
SignalStain Antibody Diluent | Cell Signaling | 8112 | Antibody diluent |
SignalStain Boost IHC Detection Reagent | Cell Signaling | 8114 | Immunohistochemistry detection reagent |
SignalStain Citrate Unmasking Solution | Cell Signaling | 14746 | Citrate unmasking solution |
Single edge razor blade | Uline | H-595B | Single edge razor blade |
Sodium pyruvate | ThermoFisher Scientific | 11360070 | Sodium pyruvate (100 mM) |
Tissue-Tek Cryomolds | VWR | 25608-916 | Disposable cryomolds |
Tissue-Tek O.C.T. Compound | VWR | 25608-930 | Optimal cutting temperature compound |
Trypan Blue Stain | ThermoFisher Scientific | T10282 | Cell impermeant stain (0.4%) |
Xylene | ThermoFisher Scientific | X3P-1GAL | Xylene |