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Methodenartikel

Bildgestützte Resektion der Glioblastom und intrakraniellen Implantation von therapeutischen Stammzellen entkernt Gerüste

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DOI:

10.3791/57452

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16. Juli 2018

 ,  ,  , 
1Division of Pharmacoengineering and Molecular Pharmaceutics, UNC Eshelman School of Pharmacy, University of North Carolina at Chapel Hill, 2Lineberger Comprehensive Cancer Center, University of North Carolina at Chapel Hill

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Tumor-Suche nach therapeutischen mesenchymaler Stammzellen (MSCs) vielversprechend zur Behandlung von invasiven Glioblastom. Optimale Transplantation umfasst Lieferung von MSCs in den Tumor Resektion Hohlraum auf Gerüsten. Hierbei sind präklinische Techniken, MSC Behandlung des Glioblastoms zu studieren vorgesehen, einschließlich: bildgebende Tumor Resektion; Implantation von MSC ausgesät Gerüste; und postoperative Therapie verfolgen.

Zusammenfassung

Glioblastom (GBM), der am weitesten verbreitete und aggressive primäre Hirntumoren, trägt eine Lebenserwartung von 12-15 Monate. Die geringe Lebenserwartung ist zum Teil auf die Unfähigkeit der aktuellen Behandlung, bestehend aus chirurgische Resektion gefolgt von Bestrahlung und Chemotherapie, invasiven Tumor Herde zu beseitigen. Behandlung von diese Herde kann mit Tumoricidal humaner mesenchymaler Stammzellen (MSCs) verbessert werden. MSCs potente Tumor Tropismus aufweisen und können zu express therapeutischer Proteine, die Tumorzellen zu töten konstruiert werden. Fortschritte in der präklinischen Modellen zeigen, dass chirurgische Resektion induziert vorzeitigen Verlust der MSC und therapeutische Wirksamkeit reduziert. Wirksamkeit der MSC Behandlung kann durch Aussaat MSCs auf einem Gerüst von biologisch abbaubaren Poly(lactic acid) (PLA) verbessert werden. MSC-Lieferung in der chirurgischen Resektion Hohlraum auf einem PLA-Gerüst stellt Zelle Aufbewahrung, Persistenz und Tumor töten. Um die Auswirkungen der MSC ausgesät PLA Implantation auf GBM zu studieren, braucht man ein genaues Präklinisches Modell. Hier bieten wir eine präklinische chirurgische Protokoll für bildgestützte Tumor-Resektion der GBM in immundefiziente Mäuse gefolgt von MSC ausgesät Gerüst Implantation. MSCs sind so konstruiert, mit Lentivirale Konstrukte konstitutiv auszudrücken und sezernieren therapeutische TNF-bezogene Apoptose induzierenden Liganden (TRAIL) sowie grün fluoreszierendes Protein (GFP), fluoreszierenden Tracking ermöglichen. Ebenso sind die Tumorzellen U87 express mCherry und Firefly Luciferase, Bereitstellung von dual fluoreszierenden/leuchtenden tracking entwickelt. Während derzeit verwendet für die Untersuchung von Stammzellen vermittelte Lieferung von Therapeutika, konnte dieses Protokoll geändert werden, untersuchen die Auswirkungen der chirurgischen Resektion zu anderen GBM-Interventionen.

Einleitung

Glioblastom (GBM) ist der häufigste primäre Hirntumoren bei Erwachsenen mit einem düsteren mediane Überlebenszeit von nur 12-15 Monaten1,2,3,4,5. Überleben ist nicht deutlich verbessert, seit 2005 als der aktuelle klinischen Standard maximale chirurgische Resektion, gefolgt von Bestrahlung und damit einhergehende und adjuvanten Temozolomid Chemotherapie war6,7angenommen. Während dieser Behandlung Patienten mit eine vorübergehende Linderung der Symptome bietet, führt Standard der Behandlung immer Rezidiv da angriffskrebs Brennpunkte Resektion zu entziehen und aus systemische Therapien durch die Blut - Hirn-Schranke (BBB) geschützt sind. Strategien, die invasiven Tumor Herde Ziel unter Umgehung der BBB werden dringend benötigt, um gegen diese aggressiven und schwächenden Krankheit Fuß fassen.

Humane mesenchymaler Stammzellen (MSCs) vielversprechend als Medikament auslieferfahrzeuge für GBM aufgrund ihrer nativen Tumor Tropismus8,9. MSCs besitzen Rezeptoren für und Wandern in Richtung lösliche Faktoren, die Tumoren, einschließlich Stromazellen Zelle abgeleitet Faktor 1α absondern (SDF-1α), Matrix-Metalloproteinase-1 (MMP-1) und Monocyte lockstoffgradient Protein-1 (MCP-1) u.a.10, 11 , 12 , 13. engineering MSCs zum Ausdruck bringen und sezernieren Zytostatika ermöglicht es ihnen, als Tumor-Homing Medikament Lieferfahrzeuge nutzbar gemacht werden. Veränderter MSCs Annäherung an invasiven Tumor Herde und therapeutischer Proteine liefern. Dieser Ansatz hat Machbarkeit in einer Vielzahl von präklinischen GBM Modelle9,14gezeigt. Die überwiegende Mehrheit dieser Modelle beinhalten jedoch keine chirurgische Resektion trotz die klinische Relevanz dieser Komponente. Neue Studien mit neuen Modellen der Resektion ergab, dass chirurgische Tumor Entfernung reduziert die Persistenz von Stammzellen, die direkt in die chirurgische Hohlraum15injiziert werden. Verlust der Rentabilität führte zu verminderten Wirksamkeit, wahrscheinlich wegen der Abnahme der Dosis und Dauer der Droge geliefert, die invasiven Tumor Herde.

Zur Steigerung von Stammzellen Lebensfähigkeit und Drug-Delivery können MSCs auf Gerüsten vor der Implantation ausgesät werden. In diesem Protokoll, biokompatibel und resorbierbaren Electrospun Nanofibrous Poly(lactic acid) (PLA) dient als Gerüst für die MSCs. PLA beugt und passt sich der Form des Hohlraums Resektion bei Implantat, das therapeutische Reichweite maximiert und minimiert die Entfernung MSCs reisen muss, um Tumorzellen zu erreichen. MSCs bleiben auf dem Schafott während der Implantation und migrieren Sie anschließend aus dem Gerüst gegen Tumorzellen nach Implantation16,17. MSCs und die zytotoxische Medikamente, die sie dann tragen sammeln sich im Tumor Brennpunkte. Lieferung von zytotoxischen Droge zum Tumor erfordert MSC Lebensfähigkeit und Beharrlichkeit, die durch Implantation auf Gerüsten unterstützt werden.

In diesem Verfahren Lentivirale Vektoren werden verwendet, um stabile Expression von Leuchtstofflampen (in-vitro- tracking) und Biolumineszenz (in Vivo tracking) induzieren Marker in der Krebs- und Stammzellforschung Linien. Die menschliche GBM Linie U87 ist mit mCherry und Firefly Luciferase (U87 mCh-Fl) und die nichttherapeutische MSCs mit GFP und Renilla-Luciferase (MSC GFP-Rluc) infiziert. Die therapeutische Variante des MSCs express TNF-bezogene Apoptose induzierenden Liganden (MSC-TRAIL). TRAIL, ein konstitutiv sezerniert Protein bindet an in der Nähe todesrezeptoren auf Krebs Zellen und Caspase-vermittelten Apoptose18initiiert.

Hier bieten wir ein Protokoll für präklinische bildgestützten GBM chirurgische Resektion und Implantation von MSC ausgesät Gerüste. In Kürze erhalten nackte Mäusen eine Kraniotomie, drei Tage später folgte Stereotaktische orthotopen Injektion von U87 mCh-Fl, den Primärtumor zu etablieren. Die eingepflanzt Tumor wächst für einen Zeitraum von etwa einer Woche. PLA-Gerüste sind mit MSCs 48 h vor der Resektion Operation ausgesät. Der Tumor ist dann unter fluoreszierenden Anleitung reseziert, und das MSC geladen Gerüst ist in den Hohlraum der Resektion implantiert. Tumor-Belastung und Maus überleben werden dann postoperativ mit Biolumineszenz imaging (BLI) verfolgt. Ein Zeitplan für diese Verfahren nachfolgend (Abbildung 1).

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Abbildung 1: Timeline Verfahren. Mäuse erhalten zunächst ein kranialen Fenster (Tag 0). Nach einer Erholungszeit von drei Tagen, Tumoren sind implantiert (Tag3) und für ca. eine Woche wachsen. Gerüste sind mit MSCs (Tag 8) zwei Tage vor der Tumor-Resektion und Implantation-Verfahren (Tag 10) ausgesät. Tumorprogression und therapeutische Wirksamkeit werden per Post-Operative imaging danach (Tag 10 +) bewertet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Protokoll

Alle hier beschriebene Methoden wurden von den institutionellen Animal Care und Nutzung Committee (IACUC) der University of North Carolina in Chapel Hill genehmigt.

Hinweis: Dieser Vorgang wird durchgeführt an Mäusen mit einem offenen Kraniotomie, das Gehirn verlassen als eine modifizierte Version des Protokolls durch Mostany und Tür-Cailliau19 , wobei das Knochengewebe, das chirurgisch entfernt wird verworfen, zugänglich für Einrichtung und eventuelle Resektion von GBM Tumoren. Nach Kraniotomie sind Tumoren über Stereotaktische Implantation hergestellt, wie im Ozawa und James20beschrieben. Wir implantieren 1 x 105 U87 mCh-Fl Zellen an den folgenden stereotaktischen Koordinaten (in mm von Bregma): (2,5, 0 -0,5).

(1) Zellkultur und Gerüst Vorbereitung

Hinweis: Gerüste sollten 48 h vor der Implantation bei Mäusen vorbereitet werden. Die folgenden Bände sind auf einer Basis pro Gerüst zur Verfügung gestellt. Multiplizieren Sie Mengen Bedarf für zusätzliche Gerüste.

  1. Schneiden Sie PLA-Gerüste in Resektion Hohlraum-Größe (ca. 2 mm x 2 mm) Stücke. Gerüste können von Hand mit einer Schere oder mit einem Locher für Wiederholbarkeit geschnitten werden.
  2. Sterilisieren Sie durch Eintauchen in 70 % igem Ethanol für 15 min, gefolgt von Eintauchen in PBS. Legen Sie Gerüst in Dulbeccos modifizierten Eagle Medium (DMEM) mit 10 % fetalen bovine Serum (FBS) und 1 % Penicillin-Streptomycin beim Zellen für die Aussaat vorbereiten.
  3. Heben Sie kultivierten MSCs mit 0,05 % Trypsin (3-5 mL für ein T75-Fläschchen). Inkubation bei 37 ° C für 5 min. Stellen Sie sicher, das die Zellen gehoben haben, dann fügen Sie 7-10 mL DMEM in den Kolben, Trypsin zu inaktivieren.
  4. Eine 15-mL Zentrifugenröhrchen übermitteln Sie Flasche Inhalt. Anzahl Zellen mit einem Hemocytometer. Pellet-5 x 105 MSCs für jedes Gerüst durch Zentrifugation bei 100 X g für 5 Minuten.
  5. Aspirieren Sie überstand und Aufschwemmen Sie MSCs in 5 µL DMEM pro 5 x 105 Zellen.
  6. Bereiten Sie die Gerüste für die Aussaat durch klopfen sie trocken.
    1. Entfernen Sie ein Gerüst aus DMEM eintauchen mit der Pinzette und legen Sie es vorübergehend auf dem Deckel des 6-Well-Platte. Heben Sie das Gerüst den Deckel, hinterlässt ein Tröpfchen von überschüssigen DMEM.
    2. Setzen Sie das Gerüst wieder auf den Deckel wieder in einem neuen, trockenen Ort. Wiederholen Sie 3 - 5 Mal, dann legen Sie das teilweise getrocknete Gerüst in eine neue 6-Well-Platte für die Aussaat. Wiederholen Sie für jedes Gerüst.
      Hinweis: Ein teilweise getrocknet Gerüst bietet optimale Zelle Aussaat Ergebnisse. Wenn das Gerüst zu nass ist, werden Zellen abrutschen das Gerüst und die well-Platte unten halten. Wenn das Gerüst zu trocken ist, wird der Tropfen nicht auf das gesamte Gerüst, was zu schlechten ersten Zelle Verteilung verteilt.
  7. Mit einer Pipette, vorsichtig mischen Sie das Fläschchen von Stammzellen, die Aussetzung zu homogenisieren, da einige Zellen nach unten angesiedelt haben können.
  8. Langsam pipette 2,5 µL frisch gemischt MSC Aufhängung direkt auf dem Schafott, erstellen ein kleines Tröpfchen über die Oberseite des Gerüstes.
  9. Kanten von jeweils gut 300 µL DMEM hinzufügen. Dies verhindert rasche Verdunstung der Zelle Tropfens. Inkubation bei 37 ° C für 30 min, so dass die Zellen zum Schafott zu befestigen.
  10. Umdrehen Sie mit der Pinzette vorsichtig die Gerüste in der well-Platte. Samen 2,5 µL frisch gemischt MSC Aussetzung (Dies führt zu insgesamt 5 x 105 Zellen pro Gerüst ausgesät). Inkubation bei 37 ° C für 30 min, so dass die Zellen zum Schafott zu befestigen.
  11. Decken Sie die Gerüste in DMEM durch Zugabe von 2 mL in jede Vertiefung des 6-Well-Platte. Heben Sie vorsichtig die Gerüste um Medien unter ihnen fließen zu lassen. Inkubation bei 37 ° C für 48 h vor der Implantation Operation in diesem Zustand.
  12. Überprüfen Sie die Gerüste nach 24 h und ändern oder hinzufügen/Medien, wenn überschüssige Verdampfung oder verfärbte Medien durch pH-Ungleichgewicht beobachtet werden.

(2) Fluoreszenz-geführte Resektion und Gerüst Implantation

Hinweis: Sterilisieren Sie alle Werkzeuge vor der Operation zu initialisieren. Verwalten Sie prophylaktische Analgesie, wie in Ihren institutionellen IACUC Protokoll beschrieben.

  1. Setzen Sie die stereotaktischen Rahmen auf der Bühne eine Fluoreszenz Stereomikroskop sezieren.
  2. Die Maus unter inhalativen Isofluran in einer Induktion Kammer zu betäuben. Sobald betäubt, sichern Sie die Maus in der stereotaktischen Rahmen mit kontinuierlichen inhalativen Anästhesie Versorgung über einen Isofluran bugnase Adapter. Pflegen Sie die Körpertemperatur mit einem Heizkissen und/oder Sonde.
    Hinweis: 4-5 % Isofluran ist geeignet für Induktion und 2-3 % eignet sich für Wartung, aber dies angepasst und für jede Maus überwacht werden muss.
  3. Gelten Sie ophthalmologische Salbe für die Augen, um zu verhindern, Trocknen der Hornhaut. Die Schnitt-Website der Kopfhaut mit einer Reihe von drei Alkohol und drei Betadine Tücher zu sterilisieren.
  4. Durchführen Sie Zehe Prise reflex-Test auf jede Extremität und bestätigen Sie negative Antwort um angemessene Anesthetization zu gewährleisten. Eine stetige Atemfrequenz bei ca. 55-65 Atemzüge/min zu gewährleisten.
  5. Mit Pinzette, Kneifen Sie und heben Sie vorsichtig an der Kopfhaut. Machen Sie einen Mittellinie linear rostral-kaudalen Schnitt mit chirurgische Scheren. Die Schnitt-Website mit PBS zu bewässern und Subdermale Fett mit einem Baumwolle Spitze Applikator in einer Kreisbewegung Bürsten zu entfernen. Ordnen Sie die Haut so, dass die vorher festgelegten kraniale Fenster vollständig sichtbar ist.
  6. Durchstechen Sie sanft die Dura nur innen bis an die Grenzen des kranialen Fensters mit einem 18-G-Nadel. Wiederholen Sie, bis der Schnitt voll das Innere des Fensters zeichnet.
  7. Entfernen Sie die Dura durch Schälen entfernt mit feinen Pinzette, enthüllt die zugrunde liegenden Parenchym und Tumor.
  8. Suchen Sie den U87 mCh-Fl Tumor durch Raumbeleuchtung ausschalten und den Stereomikroskop Fluoreszenz-Modus einschalten. Bereiten Sie für Resektion durch das Laden einer PIPETTENSPITZE 1-200 µL in das Ende des Schlauches einer Vakuumpumpe.
  9. Schalten Sie die Vakuumpumpe. Resezieren Sie den Tumor durch fluoreszierende Gewebe sanft absaugen, bis kein Signal bleibt. Schalten Sie die Vakuumpumpe aus und entsorgen Sie die PIPETTENSPITZE. Schalten Sie die Fluoreszenz aus und das Zimmer, das Licht wieder auf.
    Hinweis: Um Blutungen zu kontrollieren, spülen Sie mit kaltem PBS und Auftragen Sie gleichmäßigen Druck mit einem Baumwolle Spitze Applikator. In schwereren Fällen kann die Resektion Hohlraum auch vorübergehend mit einem blutstillende Mittel verpackt werden, solange es entfernt wird, nachdem die Blutung, gefolgt von einem anderen PBS Bewässerung aufgehört hat.
  10. Unmittelbar vor der Implantation Tauchen Sie langsam ein MSC-ausgesät PLA-Gerüst mit PBS-Puffer, unerwünschte Medien und damit verbundenen Komponenten zu entfernen. Implantat-das Gerüst in den Hohlraum der Resektion. Bei Bedarf fügen Sie an Stelle 1 µL Fibrinogen (67-106 mg/mL), gefolgt von 1 µL Thrombin (400-625 U/mL), das Gerüst zu sichern.
  11. Mit der Dura entfernt und die Knochen-Klappe vom kranialen Fenster bereits verworfen, die Wunde einfach durch das Schließen der Haut und Anbringen von chirurgischen Leim abdichten. Entfernen Sie das Tier aus inhalierte Betäubungsmittel und lassen um auf einer beheizten Fläche zu erholen.
  12. Einmal ambulant, Rückkehr Maus Käfig. Analgetikum IACUC genehmigt termingerecht zu verwalten. Wiederholen Sie den Vorgang für jede Maus.

3. postoperative Bildgebung

  1. Mit der 28-G Insulin Spritze, Spritzen Sie Mäuse mit D-Luciferin (150 mg/kg intraperitoneal).
  2. Warten Sie 10 Minuten. Dadurch wird das Luciferin im ganzen Körper zirkulieren und reagieren mit der Luciferase exprimierenden Krebszellen im Gehirn zu Spitzenzeiten Ausdruck zu erhalten.
  3. Isoflurane Narkose (wie zuvor erwähnt) Bild Mäuse in einer Biolumineszenz imaging-System (BLI) um die Tumoren zu visualisieren. Variieren Sie Belichtungszeiten als benötigte (Sekunden bis Minuten) je nach Größe des Tumors.
  4. Wiederholen Sie bildgebendes Verfahren Bedarf Tumor Wachstum Kinetik zu bestimmen. Weiterhin Tiergesundheit überwachen.
    Hinweis: Die therapeutische MSCs bekunden konstitutiv TRAIL, Krebszellen zu töten und insgesamt Tumorwachstum unterdrücken. Alle 2-5 Tage Imaging bietet ausreichenden Häufigkeit für diesen Zweck.
  5. Bei vorgegebenen Endpunkte des IACUC-Protokolls erfüllt sind, Mäuse durch Transcardial Perfusion zu Opfern und Gewebe für die Analyse zu sammeln.

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Ergebnisse

U87 Tumorzellen wurden entwickelt, um ausdrückliche mCherry und Firefly Luciferase (U87 mCh-Fl) vor der Injektion und zur bildgestützten Resektion und Biolumineszenz tracking (Abbildung 2A-C). Stammzellen wurden ebenso entwickelt mit diagnostischen GFP-Rluc (MSC-GFP) oder GLP-THERAPIEVERSUCH (MSC-TRAIL) und ausgesät auf die PLA-Gerüste, Befestigung und Verbreitung (Abb. 2D-F) zu bestätigen.

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Diskussion

Chirurgie kann in der Regel innerhalb von 30 min per Mausklick, abgeschlossen werden, angesichts der Tatsache, dass die folgenden Punkte berücksichtigt werden, maximale Präzision und zeitraubende Fallstricke zu vermeiden. Zunächst sicherstellen Sie, dass die Maus in der stereotaktischen Instrument vor Beginn des Verfahrens richtig positioniert ist. Unerwünschte Kopfbewegungen schränkt chirurgischer Genauigkeit der Kraniotomie, Lage des Tumors Implantation und Grad der Tumor-Resektion. Entfernen Sie vor der Resektion voll...

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Offenlegungen

DRS. Sheets, Bagó und Hingtgen verfügen über Eigenkapital in Falcon-Therapeutika, die Aspekte der Stammzellforschung und Gerüst-Technologie von UNC Chapel Hill lizenziert hat.

Danksagungen

Die Autoren erkennen redaktionelle Beiträge von Dr. Kathryn Pietrosimone. PLA-Gerüste wurden von Dr. Elizabeth Loboa Lab an der North Carolina State University hergestellt. Diese Arbeit wurde von der UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center der University Cancer Research Fund und die UNC-translationale und Clinical Sciences Institute (KL2TR001109, UL1TR001111) unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Speziell für stereotaktisches Instrument für MäuseStoelting51730Behält eine stabile Kopfhaltung während der Operation bei
Fluoreszenz-Präparier-StereomikroskopLeicaM165 FC Ermöglicht die Echtzeit-Bildgebung des Tumors während der Resektion
Motorisiertes integriertes stereotaktisches Injektorsystem (ISI)Stoelting53315Ermöglicht präzises Injektionsvolumen und -rate von Tumorzellen
Vetbond Gewebekleber3M1469Zuverlässiger Kleber zum Verschließen von Hautwunden
Künstliche TränenAkorn664268Verhindert das Austrocknen der Augen während der Operation
Webcol AlkoholpräparateCovidien6818Sterilisieren Sie die Inzisionsstelle
Betadin-OP-PeelingPurdue Fredick Company6761815117Sterilisieren Sie die Inzisionsstelle
Applikatoren mit WattespitzeFisherbrand23-400-115Chirurgisches Werkzeug
E-vac-AspirationssystemArgosEV310Vakuumpumpe zur Entfernung von Tumoren
Fibrinogen und Thrombin extrahiert aus dem erhaltenen TISSEELBaxterZur vorübergehenden Sicherung des Gerüsts in der Resektionskavität
IVIS Kinetic in vivo optisches BildgebungssystemCaliper Life ScienceBiolumineszenz-Imager
D-Luciferin, KaliumsalzPerkinElmer122799In-vivo-Bildgebungsmittel

Referenzen

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