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Forscher haben sich weitgehend auf 3D-Tischkultur-In-vitro-Systeme konzentriert, um einige der wichtigsten Merkmale der Tumorprogression zu untersuchen. Ein Großteil dieser Forschung wurde durch das Wiederauftreten von multizellulären Tumorsphäroiden (MCTSs) und komplexeren Organoidengeleitet 1,2. Obwohl diese Modelle avaskulär sind, bieten sie ein leistungsfähiges Werkzeug zur Rekapitulation physiologischer und pathologischer Prozesse, die in vivo 3,4,5 auftreten. Insbesondere mittelgroße Modelle (300-500 μm Durchmesser) können wichtige Tumormerkmale wie 3D-Struktur, pathophysiologische Gradienten und metastatische Signalgebung aufgrund von Hypoxie im Kern nachahmen. Es ist gut dokumentiert, dass diese Modelle die charakteristischen konzentrischen Schichten aufweisen, die in vaskularisierten In-vivo-Tumoren zu sehen sind, nämlich eine äußere Schicht proliferativer Zellen, eine Übergangsschicht von seneszenten/ruhenden Zellen und Zellen, die im Kern an Hypoxie leiden 3,6,7,8,9 . Aus diesen Modellen können einzigartige Erkenntnisse gewonnen werden, indem das Zellverhalten innerhalb dieser Schichten, während der Entwicklung und als Reaktion auf das Medikament charakterisiert wird. Die erforderliche MCTS-Größe, die notwendig ist, um die Gradienten zu entwickeln, die sie zu so leistungsfähigen In-vitro-Modellen machen, schränkt jedoch die für die zerstörungsfreie Bewertung verwendeten Werkzeuge drastisch ein. Tatsächlich ist eine der größten Herausforderungen bei der zerstörungsfreien Analyse von MTCS die Quantifizierung von Details im Zellmaßstab. Die Hellfeld- und Phasenkontrastmikroskopie wird routinemäßig eingesetzt, um das Wachstum und die Entwicklung von 3D-MCTS zerstörungsfrei zu bewerten. Diese Modalitäten sind jedoch auf 2D-Projektionen beschränkt, da sie nicht in der Lage sind, die entscheidende 3D-Struktur dieser Modelle10,11,12,13 zu visualisieren. Informationen über Zytotoxizität und Zellproliferation werden typischerweise durch fluoreszierende Bildgebung (d. h. Lichtblattmikroskopie, konfokale Mikroskopie) oder ex vivo immunhistologische Färbung14,15,16 gesammelt. Während diese Ansätze wertvolle, hochauflösende Informationen über Gewebestruktur, Zelldichte und Zellfunktion liefern, erfordern sie häufig eine Probenvorbereitung wie optisches Clearing, Fixierung / Färbung oder Einbettung, die Längsschnittanalysen verhindert.
Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist eine zerstörungsfreie strukturelle Bildgebungsmodalität, die das Potenzial hat, einige der oben genannten Herausforderungen zu überwinden. Es verfügt über eine zelluläre Auflösung und ein ausreichend breites Sichtfeld (bis zu 10 mm x 10 mm), das in der Lage ist, ganze mehrzellige Aggregate zu visualisieren17,18,19. Wichtig ist, dass diese Technik aufgrund der sichtbaren Natur des verwendeten Lichts völlig zerstörungsfrei und markierungsfreiist 17. Außerdem können Proben in situ abgebildet werden, ohne dass eine Probenvorbereitung erforderlich ist, so dass die Proben direkt aus dem Inkubator entnommen, schnell mit OCT gescannt (Scandauer ~ 5-10 min) und dann in den Inkubator zurückgeführt werden können, was eine Längscharakterisierung ermöglicht. Viele Studien, die OCT zur Analyse des Tumorsphäroidverhaltens einsetzen wollen, sind kürzlich aufgetaucht. In einer der aufregendsten Demonstrationen verwendeten Huang et al. OCT, um nekrotische Kerne in großen Tumorsphäroidmodellen zerstörungsfrei zu erkennen, und stellten fest, dass lebende und tote Zellregionen erkennbare Unterschiede in der optischen Dämpfung aufweisen, die für die markierungsfreie Lebensfähigkeitsüberwachung verwendet werden können20. In ähnlicher Weise führten Hari et al. Messungen des Brechungsindex (RI) von humanem Darmkrebs (HCT116) -Sphäroiden durch, die mit OCT aufgenommen wurden, um das Vorhandensein von Hypoxie in den Probenzu untersuchen 21. Ihre Messungen reichten nicht für direkte Schlussfolgerungen aus, obwohl sie niedrigere RI an Orten beobachteten, die mit der Stelle, wenn auch nicht mit der Größe, nekrotischer Kerne korrelierten, die später durch konfokale Mikroskopie identifiziert wurden. Abd El-Sadek et al. verwendeten OCT, um die regionale Gewebelebensfähigkeit von Brustkrebstumormodellen zu visualisieren und zu quantifizieren22. Sie berichteten über zwei OCT-basierte Methoden zur Visualisierung der Gewebedynamik und zeigten eine moderate Korrelation zwischen Unterschieden in diesen Metriken und mikroskopisch identifizierten Regionen lebender / toter Zellen.
Unsere veröffentlichte Arbeit unter Verwendung von OCT baute auf dieser früheren Literatur auf, um einen quantitativen, zerstörungsfreien Ansatz zur Messung der 3D-Morphologie und Zellzahl in MCTSs Brustkrebsmodellen während der Entwicklungzu etablieren 10,23. Mit der Imaris 3D-Rendering-Bildanalysesoftware zur Zählung der Anzahl der zellgroßen Objekte (d. h. Flecken), die in den OCT-Volumenscans abgebildet wurden, wurden die Zellzahlen zerstörungsfrei in MCTSs gemessen, die statistisch denen ähnlich waren, die über Hämozytometer bei aggregierter Dissoziation bestimmt wurden. Aufgrund der strukturellen Natur der OCT können Zellmembranen, die nach dem Zelltod durch Nekrose noch vorhanden sind, fälschlicherweise als lebende Zellen gezählt werden. Darüber hinaus wurde diese Charakterisierung auf die zerstörungsfreie Verfolgung der Zelllebensfähigkeit innerhalb einzelner Aggregate ausgeweitet, die einem Wirkstoffregime mit vielversprechendem Erfolg unterzogen wurden10. Wichtig ist, dass festgestellt wurde, dass eine ähnliche Zelllebensfähigkeit von unserem OCT-Imaris-Ansatz berichtet wurde, mit dem, was in diesen Proben bei Dissoziation verglichen wurde. Dieser zerstörungsfreie und markierungsfreie Zellansatz ermöglicht es, Zellen innerhalb von 3D-Konstrukten und dichte Aggregate längs zu zählen, ohne die Konstrukt- / Aggregatstruktur zu beeinträchtigen.
Die vorliegende Arbeit berichtet über einen verbesserten Ansatz zur direkten Quantifizierung der regionalen Zelldichte innerhalb dichter Aggregate, indem die Fähigkeit von OCT-Imaris genutzt wird, sowohl die Morphologie als auch die Zellzahl von 3D-Aggregaten zu messen. Diese methodische Weiterentwicklung liefert ein detaillierteres Bild der räumlichen Verteilung und Proliferation von Zellen innerhalb der charakteristischen konzentrischen Schichten von MCTS-Modellen. Anstatt einfach eine durchschnittliche Gesamtzelldichte zu berechnen, können solche lokalen Dichtemessungen Zelldichtegradienten aufdecken, z. B. solche, die mit der Verdichtung verbunden sind. Diese regionale Bewertung wird auch auf Aggregate angewendet, die mit einem Chemotherapeutikum behandelt werden, um die regionale Arzneimittelreaktion zu bewerten, gemessen an Veränderungen der lokalen Zelldichte. Diese Kombination aus OCT und fortschrittlichen bildgebenden Analysemethoden bietet eine Quantifizierung der regionalen Zelllebensfähigkeit, die verwendet werden kann, um die Arzneimittelpenetration basierend darauf zu untersuchen, in welchen Regionen die Zelldichte abnimmt. Dies ist der erste Bericht, der die regionale Zelldichte und Lebensfähigkeit als Reaktion auf das Medikament in dichtem Zellgewebe zerstörungsfrei quantifiziert und in Längsrichtung misst. Eine solche Charakterisierung der dreidimensionalen Zelldichte und der räumlichen Verteilung über ganze MCTS kann dazu beitragen, die Arzneimittelabgabe bei der Krebsbehandlung zu optimieren und das Verständnis der Progression von Krebsmodellen zu verbessern.