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Research Article
Safwan Alomari1, Jayanidhi Kedda1, Adarsha P. Malla2,3, Victor Pacis1, Pavlos Anastasiadis2,3, Su Xu4, Emylee McFarland2,3, Lilia Sukhon1, Bruno Gallo5, Jordina Rincon-Torroella1, Netanel Ben-Shalom1, Heather M. Ames3,6, Henry Brem1,7, Graeme F. Woodworth2,3, Betty Tyler1
1Department of Neurosurgery,Johns Hopkins University School of Medicine, 2Department of Neurosurgery,University of Maryland School of Medicine, 3Marlene and Stewart Greenebaum Comprehensive Cancer Center,University of Maryland School of Medicine, 4Diagnostic Radiology and Nuclear Medicine,University of Maryland School of Medicine, 5Pontifical Catholic University of Parana, 6Department of Pathology,University of Maryland School of Medicine, 7Departments of Ophthalmology, Oncology and Biomedical Engineering,Johns Hopkins University School of Medicine
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Le présent protocole décrit une résection standardisée des tumeurs cérébrales chez les rongeurs grâce à une approche mini-invasive avec un système intégré de préservation des tissus. Cette technique a des implications pour refléter avec précision la norme de soins chez les rongeurs et d’autres modèles animaux.
Le présent protocole décrit un paradigme normalisé pour la résection des tumeurs cérébrales chez les rongeurs et la préservation des tissus. Dans la pratique clinique, la résection tumorale maximale est le traitement standard pour la plupart des tumeurs cérébrales. Cependant, la plupart des modèles précliniques de tumeurs cérébrales actuellement disponibles n’incluent pas la résection ou utilisent des modèles de résection chirurgicale qui prennent beaucoup de temps et entraînent une morbidité, une mortalité ou une variabilité expérimentale postopératoires importantes. En outre, la résection chez les rongeurs peut être décourageante pour plusieurs raisons, notamment le manque d’outils ou de protocoles chirurgicaux cliniquement comparables et l’absence d’une plate-forme établie pour la collecte de tissus standardisée. Ce protocole met en évidence l’utilisation d’un dispositif de résection multifonctionnel et non ablatif et d’un système intégré de préservation tissulaire adapté de la version clinique du dispositif. Le dispositif appliqué dans la présente étude combine une aspiration accordable et une lame cylindrique à l’ouverture pour sonder, couper et aspirer avec précision les tissus. Le dispositif de résection mini-invasif remplit ses fonctions via le même trou de bavure utilisé pour l’implantation initiale de la tumeur. Cette approche minimise les altérations de l’anatomie régionale lors des chirurgies de biopsie ou de résection et réduit le risque de perte de sang importante. Ces facteurs ont considérablement réduit le temps opératoire (<2 min/animal), amélioré la survie postopératoire des animaux, réduit la variabilité dans les groupes expérimentaux et entraîné une viabilité élevée des tissus et cellules réséqués pour les analyses futures. Ce processus est facilité par une vitesse de lame de ~1 400 cycles/min, ce qui permet la récolte de tissus dans un système fermé stérile qui peut être rempli avec une solution physiologique de choix. Compte tenu de l’importance émergente de l’étude et de la modélisation précise de l’impact de la chirurgie, de la préservation et de l’analyse comparative rigoureuse des échantillons de résection tumorale régionalisés et des thérapies administrées dans la cavité, ce protocole unique élargira les possibilités d’explorer des questions sans réponse sur la prise en charge périopératoire et la découverte thérapeutique pour les patients atteints de tumeurs cérébrales.
Le glioblastome (GBM) est la tumeur cérébrale primaire la plus courante et la plus agressive chez l’adulte. Malgré les progrès récents de la neurochirurgie, du développement de médicaments ciblés et de la radiothérapie, le taux de survie à 5 ans des patients atteints de GBM est inférieur à 5%, une statistique qui ne s’est pas améliorée de manière significative depuis plus de trois décennies1. Par conséquent, il est nécessaire de mettre au point des stratégies de traitement plus efficaces.
Pour développer de nouvelles thérapies, il devient de plus en plus évident que les protocoles expérimentaux doivent (1) utiliser des modèles précliniques traduisibles qui récapitulent avec précision l’hétérogénéité tumorale et le microenvironnement, (2) refléter le schéma thérapeutique standard utilisé chez les patients atteints de GBM, qui comprend actuellement la chirurgie, la radiothérapie et la chimiothérapie, et (3) tenir compte de la différence entre le noyau réséqué et le résidu, tissus tumoraux invasifs 2,3,4,5. Cependant, la plupart des modèles précliniques de tumeurs cérébrales actuellement disponibles ne mettent pas en œuvre la résection chirurgicale ou utilisent des modèles de résection chirurgicale qui prennent relativement de temps, ce qui entraîne une perte de sang importante ou manque de normalisation. De plus, la résection des tumeurs cérébrales de rongeurs peut être difficile en raison d’un manque d’outils ou de protocoles chirurgicaux cliniquement comparables et de l’absence d’une plate-formeétablie 6 pour la collecte systématique de tissus (tableau 1).
Le présent protocole vise à décrire un paradigme standardisé pour la résection des tumeurs cérébrales chez les rongeurs et la préservation des tissus à l’aide d’un système de résection mini-invasive non ablatif multifonctionnel (MIRS) et d’un système intégré de préservation tissulaire (TPS) (Figure 1). On s’attend à ce que cette technique unique fournisse une plate-forme standardisée pouvant être utilisée dans diverses études de recherche préclinique sur le GBM et d’autres types de modèles de tumeurs cérébrales. Les chercheurs qui étudient les modalités thérapeutiques ou diagnostiques des tumeurs cérébrales peuvent mettre en œuvre ce protocole pour obtenir une résection standardisée dans leurs études.
Toutes les études sur les animaux ont été approuvées par l’Université du Maryland et le Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de l’Université Johns Hopkins. Des souris femelles C57BL/6, âgées de 6 à 8 semaines, ont été utilisées pour la présente étude. Les souris ont été obtenues de sources commerciales (voir le tableau des matériaux). Tous les règlements de niveau de biosécurité 2 (BSL-2) ont été respectés, y compris l’utilisation de masques, de gants et de blouses.
1. Implantation initiale de la tumeur intracrânienne
2. Résection tumorale à l’aide de MIRS
3. Collecte de tissus via TPS
4. Croissance de cellules en culture adhérente
5. Croissance de cellules en culture en suspension (neurosphères)
6. Préparation des cellules pour la réimplantation
7. Analyse histologique
La résection chirurgicale à l’aide du MIRS entraîne une diminution significative de la charge tumorale
Dans le groupe avec une charge tumorale plus faible, le signal bioluminescent moyen de base était de 5,5e + 006 photons / s ± 0,2e + 006 dans le sous-groupe qui a subi une résection. Après résection, le signal bioluminescent moyen a diminué à 3,09e+006 photons/s ± 0,3e+006, (p <0,0001, test de Mann-Whitney)9 (Figure 2). Le signal bioluminescent a augmenté dans les jours suivants jusqu’à ce que les souris soient euthanasiées. De même, dans le groupe avec une charge tumorale plus importante, le signal bioluminescent moyen de base était de 1,68e + 007 photons / s ± 0,1e + 007 dans le sous-groupe qui a subi une résection. Après la résection, le signal bioluminescent moyen a diminué à 5,19e+006 photons/s ± 0,2e+006, (p <0,0001, test de Mann-Whitney)9. Le signal bioluminescent a augmenté dans les jours suivants jusqu’à ce que les souris soient euthanasiées.
La résection à l’aide du MIRS peut être ajustée en fonction du volume de résection souhaité
Dans l’imagerie pré-résection des tumeurs syngéniques CT2A, la tumeur peut généralement être identifiée comme une masse hétérogène au site d’inoculation avec une architecture parenchymateuse perturbée et un œdème péritumoral et une hémorragie indiqués par des zones hétérogènes d’hypo- et hyper-intensité pondérées en T2 (T2w). La piste d’aiguille utilisée pour l’injection stéréotaxique de cellules tumorales peut être identifiée sur les IRM T2w14.
La cavité de résection peut être identifiée sur les IRM T2w post-résection comme une grande zone hypointense ronde au site d’inoculation de la tumeur (Figure 3). La procédure de résection n’a pas causé de perte de sang significative ou de perturbation de l’architecture cérébrale environnante. Dans certains cas, le liquide s’est accumulé dans la cavité de résection. Comme le montre la figure 4, le volume de résection a significativement augmenté, passant de 9,4 mm3 pour une rotation de l’ouverture de coupe à 23,2mm3 pour deux rotations (p = 0,0117), permettant d’ajuster la résection volumique pour optimiser une charge tumorale connue.
La résection tumorale à l’aide du MIRS entraîne un allongement de 7 jours de la survie médiane des souris porteuses de tumeurs sans induire de signes neurologiques
Comme le montre la figure 5, il y avait une prolongation de la survie des souris ayant subi une résection chirurgicale dans les deux groupes avec de petites (6 jours) et de grandes (7 jours) tumeurs. Dans le groupe avec une charge tumorale plus petite, la survie médiane du sous-groupe témoin était de 16 jours, tandis que la survie médiane du sous-groupe ayant subi une résection était de 22 jours (p = 0,0044). De même, dans le groupe avec une charge tumorale plus importante, la survie médiane du sous-groupe témoin était de 12 jours, tandis que la survie médiane du sous-groupe ayant subi une résection était de 19 jours (p = 0,0043). De plus, aucune des souris subissant une résection à l’aide du MIRS n’a montré de signe de lésion neurologique après la procédure. Cela indique que le MIRS peut obtenir une résection sûre.
Le tissu réséqué à l’aide du MIRS a une viabilité in vitro et in vivo élevée
Les cellules extraites du tissu réséqué ont été filtrées, quantifiées et remises en suspension dans le milieu approprié (Figure 6) avant de mener des expériences de viabilité in vitro ou in vivo . Pour examiner la viabilité in vitro des cellules et confirmer la résection de la tumeur et non du parenchyme cérébral normal, les cellules ont été cultivées en culture de suspension. La formation de neurosphères, un indicateur du potentiel d’initiation tumorale, s’est produite avec un traitement tissulaire minimal après la résection. Cela suggère que la plateforme MIRS a récolté des tissus bien dissociés et a eu un impact minimal sur la santé et la viabilité du tissu réséqué. Les échantillons prélevés directement du TPS à la microscopie optique semblaient être principalement sous la forme de cellules individuelles avec la présence de quelques petits morceaux de tissu. La viabilité au jour 0 variait de 30 % à 70 % (cela représente la viabilité après passage de l’échantillon dans un filtre de 70 μm et avant le placage). Le dispositif de résection a une ouverture de coupe qui peut tourner à 360° sur l’axe de la sonde de résection, permettant la résection des volumes de tissu concentrique. En moyenne, 2 à 3 millions de cellules peuvent être récoltées avec un tour de 360° de l’ouverture de coupe, environ 7 millions de cellules avec deux tours, et un total de 12-14 millions de cellules peut être obtenu avec trois tours de 360° de l’ouverture de coupe. Après placage dans des flacons en suspension contenant un milieu de cellules souches complet sans sérum, les neurosphères étaient visibles par microscopie optique le jour 2 et à l’œil nu au jour 7 (Figure 7).
Pour examiner la viabilité in vivo , les cellules extraites ont été implantées par voie intracrânienne chez des souris naïves C57BL/6 (n = 8 souris, 100 000 cellules vivantes/souris). La croissance tumorale a été confirmée à l’aide du système d’imagerie in vivo . Le signal tumoral a continué d’augmenter jusqu’à ce que tous les animaux soient euthanasiés au jour 14 après l’implantation tumorale (survie médiane de 11 jours).
La section représentative du tissu H & E (Figure 3B) contient une cavité de résection circulaire claire avec un bord de produits sanguins (rose foncé), d’inflammation et de cellules tumorales résiduelles (cellules violet foncé). Macroscopiquement, les cellules tumorales résiduelles sont de nature mésenchymateuse et infiltrantes, présentant une invasion et une prolifération périvasculaires étendues. Au microscope, des atypies nucléaires marquées et des figures mitotiques ont été identifiées. Des macrophages associés à des tumeurs ont également été identifiés autour des zones de tissu infarctus et de microhémorragies. L’architecture tissulaire du parenchyme cérébral environnant ne semblait pas perturbée.

Figure 1 : Configuration du système MIRS. (A) Système de résection mini-invasive (MIRS) pour les tumeurs cérébrales dans des modèles de rongeurs avec un système intégré de préservation des tissus. (B) Panneau avant de la console MIRS. 1 = puissance du système, 2 = pédale, 3 = bouton principal, 4 = aspiration, 5 = cadran de contrôle du niveau d’aspiration, 6 = indicateur de niveau d’aspiration, 7 = pièce à main, 8 = bouton d’activation de la découpe. (C) Panneau arrière de la console MIRS. 1 = prise de cordon d’alimentation, 2 = disjoncteur, 3 = entrée d’alimentation en azote. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Changements dans la charge tumorale moyenne chez les souris atteintes de tumeurs non traitées par rapport aux souris subissant une résection de tumeurs par MIRS. (A) Souris avec une faible charge tumorale de base et (B) souris avec une charge tumorale de base importante (p < 0,0001, ET ≤0,3e + 006 dans tous les groupes à chaque point temporel et trop petite pour être affichée sur le graphique). Les animaux ont succombé à la charge tumorale ou ont été euthanasiés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : IRM et analyse H&E. (A) des images IRM cérébrales pondérées en T2 avant et après la résection et (B) une coupe cérébrale coronale colorée H & E représentative montrant une cavité de résection circulaire claire avec un bord de produits sanguins (rose foncé), d’inflammation et de cellules tumorales résiduelles (cellules violet foncé). Les images IRM et les coupes H & E ont été obtenues immédiatement après la résection. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Détermination du volume de résection tumorale. Les volumes moyens calculés à partir d’images IRM des cavités de résection créées avec un vs. deux rotations de l’ouverture de coupe, n = 4 par groupe. p = 0,01, test T bilatéral. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Courbes de Kaplan-Meier de souris atteintes de tumeurs non traitées versus souris subissant une résection de tumeurs par MIRS. (A) Souris avec une faible charge tumorale de base. (B) Souris avec une charge tumorale de base importante. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Test de viabilité des cellules tumorales réséquées. (A) Images représentatives en microscopie optique de tissus prélevés avec MIRS le jour 0 à 20x. (B) Courbe de Kaplan-Meier décrivant la survie de souris après implantation intracrânienne de cellules prélevées sur des tissus réséqués. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Formation des neurosphères. Images représentatives de microscopie optique de neurosphères générées à partir de tissus réséqués le jour 2 post-résection à (A) 20x et (B) 10x, et le jour 7 après la résection à (C) 20x et (D) 10x. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Système de résection mini-invasive | Résection historique | |
| Temps opérationnel et compétences | Temps opératoire minimal (<2 min pour chaque animal). Compétences minimales requises. | Le temps chirurgical n’est pas standardisé et l’expérience chirurgicale avec de petits animaux et la microchirurgie est bénéfique. |
| Perte de sang | Minimal | Imprévisible |
| Volume normalisé de résection | Volume de résection déterminé/ajusté par le nombre de rotations de l’outil de résection | Le volume varie considérablement d’un sujet à l’autre |
Tableau 1 : Comparaison entre le système de résection mini-invasive (MIRS) et les modèles historiques de résection chirurgicale.
BT bénéficie d’un financement de recherche des NIH et est copropriétaire d’Accelerating Combination Therapies*, et Ashvattha Therapeutics Inc. a concédé sous licence l’un de ses brevets. GW bénéficie d’un financement des NIH (R01NS107813). HB est consultant rémunéré pour Insightec et président du conseil consultatif médical de la société. Cet arrangement a été examiné et approuvé par l’Université Johns Hopkins à la suite de ses politiques sur les conflits d’intérêts. HB bénéficie de fonds de recherche des NIH, de l’Université Johns Hopkins et de philanthropie et est consultant pour CraniUS, Candel Therepeutics, Inc., Accelerating Combination Therapies*, Catalio Nexus Fund II, LLC*, LikeMinds, Inc*, Galen Robotics, Inc.* et Nurami Medical *. (*Comprend les actions ou les options).
Le présent protocole décrit une résection standardisée des tumeurs cérébrales chez les rongeurs grâce à une approche mini-invasive avec un système intégré de préservation des tissus. Cette technique a des implications pour refléter avec précision la norme de soins chez les rongeurs et d’autres modèles animaux.
| Seringues de 1 mL | Tubes coniques BD | 309628 | |
| 15 mL | Corning | 430052 | |
| Pipettes à 200 mL d’éthanol | PharmCo | 111000200 | |
| de 5 mL | Filtre CoStar | 4487 | |
| Filtre de 70 microns | Fisher | 08-771-2 | |
| Accutase | Millipore Sigma | SIG-SCR005 | |
| Anased (Xylazine injectable, 100 mg/mL) | Covetrus | 33198 | |
| Système d’anesthésie | Patterson Scientific | 78935903 | |
| Conteneur à déchets de gaz anesthésique | Patterson Scientific | 78909457 | |
| Bench protector underpad | Covidien | 10328 | |
| C57Bl/6, souris âgées de 6 à 8 semaines | Charles River Laboratories | Code de souche 027 | |
| ChroMini Pro | Moser | Type 1591-Q | |
| Collagénase-Dispase | Roche | #10269638001 | |
| Compteur de cellules automatisé Countess II | Thermo Fisher | ||
| Countess II FL Hemacytometer | Thermo Fisher | A25750 | |
| Solution d’élimination des débris | Miltenyi Biotech | #130-109-398 | |
| D-Luciferin | Goldbio | LUCK-1G | |
| DMEM F12 média | Corning | 10-090-CV | |
| média DMEM | Corning | 10-013-CV | |
| DNAse I | Sigma Aldrich | #10104159001 | |
| Eppendorf tubes | Posi-Click | 1149K01 | |
| Solution d’euthanasie | Henry Schein | 71073 | |
| FBS | Millipore Sigma | F4135 | |
| Sérum de veau fœtal | Thermo Fisher | 10437-028 | |
| Formalin | Invitrogen | INV-28906 | |
| Gauze | Henry Schein | 101-4336 | |
| hEGF | PeproTech EC | 100-15 | |
| Héparine | Sigma | H-3149 | |
| hFGF-b | PeproTech EC | 1001-18B | |
| Chambre à induction | Patterson Scientific | 78933388 | |
| Isoflurane | Covetrus | 11695-6777-2 | |
| Vaporisateur d’isoflurane | Patterson Scientific | 78916954 | |
| Kétamine | Covetrus | 11695-0703-1 | |
| Kopf Cadre stéréotaxique | Kopf Instruments | 5001 | |
| Microscope à champ lumineux | BioTek | Cytation 5 | |
| Unité de micro-injection | Kopf | 5001 | |
| Perceuse à micromoteur | Foredom | F210418 | |
| système IRM | Bruker | 7T Biospec Avance III Scanner | |
| NICO Myriad System NICO | Corporation | ||
| Pommade ophtalmique | Puralube vetur | ||
| Papain | Sigma Aldrich | #P4762 | |
| PBS | Invitrogen | #14190250 | |
| PenStrep | Millipore Sigma | N1638 | |
| Percoll solution | Sigma Aldrich | #P4937 | |
| Contrôleur de pipette | Falcon | A07260 | |
| Povidone iode solution | Aplicare | 52380-1905-08 | |
| Progestérone | Sigma | P-8783 | |
| Putrescine | Sigma | P-5780 | |
| RPMI Media | Invitrogen | INV-72400120 | |
| Lame de scalpel | Covetrus | 7319 | |
| Manche de scalpel | Fine Science Tools | 91003-12 | |
| Marqueur de peau | Time Out | D538,851 | |
| Agrafe décapant | MikRon | ACR9MM | |
| Agrafeuse | MikRon | ACA9MM | |
| Agrafes | Clay Adams | 427631 | |
| Cadre stéréotaxique | Kopf Instruments | 5000 | |
| Sucrose | Sigma Aldrich | S9378 | |
| Suture, vicryl 4-0 | Ethicon | J494H | |
| T-75 flacon | de cultureSarstedt | 83-3911-002 | |
| Tampon de lyse TheraPEAKTM ACK (1x) | Lonza | BP10-548E | |
| Trypsine-EDTA | Corning | MDT-25-053-CI |