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Research Article
Marah Alsalkini1, Veronika Cibulková1, Maria Breun2, Almuth F. Kessler2, Tim Schulz2, Andrea Cattaneo2, Christoph Wipplinger2, Julian Hübner3, Ralf-Ingo Ernestus2, Thomas Nerreter3, Camelia M. Monoranu4, Carsten Hagemann1, Mario Löhr2, Vera Nickl2
1Section Experimental Neurosurgery, Department of Neurosurgery,University Hospital Würzburg, 2Department of Neurosurgery,University Hospital Würzburg, 3Department of Hematology,University Hospital Würzburg, 4Department of Neuropathology, Institute of Pathology,University Hospital Würzburg
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Cette étude présente une méthode automatisée pour générer des organoïdes tridimensionnels de glioblastome dérivés de patients à l’aide d’un hachoir à tissus. La méthode fournit une approche appropriée et efficace pour obtenir de tels organoïdes pour des tests thérapeutiques.
Le glioblastome de type sauvage IDH, grade 4 de l’OMS du SNC (GBM) est une tumeur cérébrale primitive associée à une faible survie des patients malgré un traitement agressif. Le développement de modèles ex vivo réalistes reste difficile. Les modèles d’organoïdes tridimensionnels (PDO) dérivés de patients offrent des plateformes innovantes qui capturent l’hétérogénéité phénotypique et moléculaire du GBM, tout en préservant les caractéristiques clés des tumeurs d’origine. Cependant, la dissection manuelle pour la génération d’AOP prend du temps, coûte cher et peut entraîner un certain nombre d’AOP irrégulières et de taille inégale. Cette étude présente une méthode innovante de production de PDO à l’aide d’un hachoir à tissus automatisé. Des échantillons tumoraux de quatre patients atteints de GBM et d’un astrocytome, mutant IDH, CNS de grade 2 de l’OMS ont été traités manuellement ainsi qu’à l’aide du hachoir tissulaire. Dans l’approche manuelle, le matériel tumoral a été disséqué à l’aide de scalpels sous contrôle microscopique, tandis que le hachoir à tissus a été utilisé sous trois angles différents. Après culture sur un agitateur orbitaire à 37 °C, les changements morphologiques ont été évalués par microscopie à fond clair, tandis que la prolifération (Ki67) et l’apoptose (CC3) ont été évaluées par immunofluorescence après 6 semaines. La méthode du hachoir à tissus a réduit près de 70 % du temps de fabrication et a entraîné un nombre moyen d’AOP significativement plus élevé que le nombre moyen de PDO par rapport aux tissus traités manuellement à partir de la deuxième semaine (semaine 2 : 801 contre 601, P = 0,018 ; semaine 3 : 1105 contre 771, P = 0,032 ; et semaine 4 : 1195 contre 784, P < 0,01). L’évaluation de la qualité a révélé des taux similaires d’apoptose et de prolifération des cellules tumorales pour les deux méthodes de fabrication. Par conséquent, la méthode du hachoir automatisé offre une approche plus efficace en termes de temps et de rendement PDO. Cette méthode est prometteuse pour le dépistage médicamenteux ou immunothérapeutique des patients atteints de GBM.
Les gliomes de bas grade (LGG) sont un groupe de tumeurs cérébrales relativement rares qui se présentent généralement comme à croissance lente et moins agressives que les gliomes de haut grade comme le glioblastome. Ils peuvent survenir chez les adultes et les enfants, avec une prévalence légèrement plus élevée chez les adultes. La prévalence exacte varie selon la région et la population, mais les LGG représentent environ 15 à 20 % de toutes les tumeurs cérébrales primitives1. Les stratégies de traitement des LGG impliquent souvent une combinaison de chirurgie, de radiothérapie et de chimiothérapie, visant à maximiser la résection tumorale tout en préservant la fonction neurologique. La prise en charge des LGG peut être complexe et le choix du traitement peut dépendre de facteurs tels que la localisation de la tumeur et les caractéristiques moléculaires2. Les progrès réalisés dans la compréhension des fondements génétiques et moléculaires des LGG ont conduit à des thérapies plus ciblées, et les recherches en cours continuent d’affiner les approches thérapeutiques.
Le glioblastome de type sauvage IDH, grade 4 de l’OMS du SNC (GBM), quant à lui, est la tumeur cérébrale primitive la plus répandue chez les adultes, avec un taux d’incidence compris entre 3,19 et 4,17 cas pour 100 000 années-personnes3. Le GBM provoque des symptômes tels que des maux de tête, des convulsions, des déficits neurologiques focaux, des changements de personnalité et une augmentation de la pression intracrânienne. Le traitement standard du GBM implique une réduction tumorale de la tumeur, si possible, suivie d’une radiothérapie associée au témozolomide4. De plus, la combinaison du témozolomide et de la lomustine pourrait améliorer le taux de survie global médian chez les patients présentant une méthylation5 du promoteur de l’O 6-méthylguanine-méthyltransférase (MGMT). Cependant, malgré ces approches thérapeutiques récentes, le GBM reste une maladie incurable de mauvais pronostic, caractérisée par un taux de survie global médian des patients de 16 mois à 20,9 mois lorsque les champs de traitement des tumeurs (TTFields) sont ajoutés 3,6. Plusieurs approches immunothérapeutiques ont été étudiées dans le GBM mais ont démontré une efficacité limitée in vivo. De plus, les limitations cliniques et précliniques entravent les percées thérapeutiques7. L’établissement d’un modèle ex vivo approprié et réaliste a été difficile en raison de l’hétérogénéité inter-8 et intratumorale9 du GBM.
Les lignées cellulaires conventionnelles de patients en 2D représentent des populations cellulaires homogènes et conviennent au criblage de médicaments à haut débit. Cependant, les lignées cellulaires dérivées de patients et immortalisées ne parviennent pas à imiter correctement le GBM en raison des différences dans les conditions de croissance et des déviations des caractéristiques génotypiques et phénotypiques après de multiples passages 10,11,12.
D’autre part, les modèles organoïdes 3D sont récemment apparus comme des systèmes prometteurs qui reproduisent l’hétérogénéité phénotypique et moléculaire des organes et de divers types de cancer 13,14,15,16,17,18. Dans le contexte du GBM, les organoïdes cérébraux ont été génétiquement modifiés pour simuler des caractéristiques tumorales16,17 ou co-cultivés avec des GSC ou des sphéroïdes pour induire l’infiltration des cellules tumorales18,19. Bien que les organoïdes GBM dérivés de patients cultivés avec Matrigel et EGF/bFGF présentent des caractéristiques GBM telles que l’hétérogénéité des cellules souches et l’hypoxie20, on ne sait pas dans quelle mesure ce modèle peut représenter les propriétés moléculaires clés des néoplasmes des patients.
Les organoïdes GBM dérivés de patients (PDO) sont des modèles prometteurs qui peuvent maintenir les caractéristiques prédominantes de leurs tumeurs parentales analogues, y compris les caractéristiques histologiques, la diversité cellulaire, l’expression génique et les profils mutationnels. De plus, ils sont rapidement infiltrés lors de l’implantation dans le cerveau des rongeurs adultes, fournissant un modèle réaliste pour les tests de médicaments et la thérapie personnalisée21. Cependant, la dissection manuelle du tissu tumoral pour générer des AOP prend du temps et est coûteuse. Par conséquent, il existe un besoin urgent d’une méthode rapide capable de produire un grand nombre d’AOP, permettant une évaluation complète des différentes approches thérapeutiques prometteuses pour les tests de médicaments individualisés. Cette étude décrit une nouvelle méthode de fabrication de PDO directement à partir de tissu tumoral fraîchement disséqué à l’aide d’un hachoir à tissus automatique. De plus, les PDO générées par cette méthode ont été comparées à des PDO disséquées manuellement chez les mêmes patients en termes de nombre de PDO, de caractéristiques morphologiques, d’apoptose et de prolifération des cellules tumorales.
Tous les patients ont été traités au service de neurochirurgie de l’hôpital universitaire de Würzburg, en Allemagne, après avoir donné un consentement éclairé écrit conformément à la déclaration d’Helsinki et à l’approbation du comité d’examen institutionnel de l’Université de Würzburg (#22/20-me). Le matériel de tissu tumoral de quatre patients atteints de GBM et d’un astrocytome, mutant IDH, patients de grade 2 de l’OMS du SNC (gliome de bas grade, LGG) (tableau 1) a été obtenu par chirurgie et traité selon le protocole suivant. Le processus automatisé de génération d’AOP à l’aide d’un hachoir à tissus est appelé hacheur (C) et le processus de coupe manuelle des tissus avec deux scalpels sous contrôle microscopique est manuel (M). Six sections de taille égale (1-2 cm3) ont été disséquées à partir de l’échantillon tumoral, puis chacune a été coupée en deux et traitée de manière homogène en utilisant les deux méthodes. En raison de l’hétérogénéité intratumorale susmentionnée, une plaque à 6 puits pour chaque approche a été générée à partir de chaque patient, chaque puits représentant des PDO d’un site différent dans la tumeur d’origine. Les deux procédures ont eu lieu sous une armoire à flux d’air laminaire et tous les instruments utilisés ont été stérilisés avant utilisation. La figure 1 illustre l’aperçu de l’approche.
1. Préparation des blocs d’agarose (pour l’approche C uniquement, facultatif)
2. Traitement du matériel tumoral
3. Mise en place du hachoir à tissus
4. Traitement des morceaux de tissu tumoral
5. Lavage du tissu tumoral
6. Culture du tissu tumoral
7. Fixation et intégration des AOP
8. Coloration par immunofluorescence
9. Évaluation et analyse des données
Quatre patients atteints de GBM et un patient atteint de LGG ont été inclus après confirmation pathologique par un neuropathologiste expérimenté (CMM). La majorité des patients avaient un promoteur MGMT non méthylé, et tous les patients atteints de GBM étaient de type sauvage IDH1 et IDH2 (tableau 1). En moyenne, le processus de fabrication a duré 88,8 min (+/- 6,3 min) en approche C et 322 min (+/- 17,2 min) en approche M. Le taux de réussite global était de 87 % dans l’approche manuelle et de 93 % dans l’approche par hachoir après 4 semaines de culture (n = 5). De plus, les PDO dérivées du groupe C ont atteint la forme arrondie souhaitée en 1 semaine et étaient suffisamment matures pour être utilisées dans des expériences in vitro , tandis que les PDO du groupe M sont restées pour la plupart fortement arrangées et indéfinies (Figure 2). Le tissu tumoral traité avec l’approche C a donné un total de 281 PDO (moyenne par patient = 56 +/- 43) après la première semaine de culture, tandis que 250 PDO (moyenne par patient = 50 +/- 41) se sont développées avec l’approche M. Au cours de la deuxième semaine de culture, les tissus des cinq patients ont donné un nombre de PDO plus élevé lorsqu’ils ont été générés avec l’approche C (801 ; Moyenne par patient = 130 +/- 38) par rapport à l’approche M (601 ; Moyenne par patient = 76 +/- 44 ; P = 0,018). Au cours de la troisième semaine de culture, l’approche C a accumulé au total 1105 PDO de tous les patients (moyenne par patient = 221 +/- 32) contre 771 PDO (moyenne par patient = 155 +/- 34) dans l’approche M (P = 0,032). De plus, un total de 1195 PDO (moyenne par patient = 239 +/- 50) se sont formés après quatre semaines de culture lorsqu’ils ont été générés avec l’approche C, contre 784 (moyenne par patient = 157 +/- 36) en utilisant l’approche M (P < 0,01). Par conséquent, la méthode C a montré un nombre significativement plus élevé de PDO à partir de la deuxième semaine (Figure 3). De plus, les fluctuations relatives du nombre d’AOP ont été évaluées afin d’explorer les tendances dynamiques entre les semaines successives. L’analyse a révélé une augmentation impressionnante du nombre de PDO au cours de la transition initiale de la première à la deuxième semaine dans l’approche C (265 %), ce qui indique des progrès rapides. Par la suite, il y a eu une augmentation plus faible des comptes au cours de la troisième semaine (75 %), ce qui reflète un ajustement temporaire. En revanche, l’approche M a démontré une augmentation constante et régulière du nombre de PDO (92 % au cours de la deuxième semaine, respectivement 67 % au cours de la troisième semaine), ce qui a contribué à une stabilité remarquable du nombre de personnes au cours de la quatrième semaine. Cette tendance à la hausse constante du nombre d’AOP souligne la fiabilité et la résilience de l’approche C tout au long de la période d’observation.
Deux patients atteints de GBM et un patient LGG ont été inclus pour l’analyse du nombre d’astrocytes (GFAP) dans les DO, de la prolifération des cellules PDO (Ki67) et de l’apoptose (CC3). Le nombre d’astrocytes déterminé n’a révélé aucune différence significative entre les deux méthodes de traitement, avec une moyenne de 43 % dans l’approche C et de 45 % dans l’approche M (Figure 4 et Figure 5, Figure supplémentaire 1 et Figure supplémentaire 2). De même, les taux de prolifération au sein des AOP étaient comparables entre les approches C (3 %) et M (1 %). Seules les PDO générées avec l’approche C du patient 5 présentaient un taux de prolifération de 26 % contre 1 % avec l’approche M (P = 0,001 ; Figure 4C). Dans l’ensemble, de faibles taux d’apoptose ont été détectés dans les OPP traitées avec l’approche C (3 %) contre 2 % avec l’approche M pour tous les patients, qui n’étaient pas significativement différents (Figure 5C). De plus, il n’y avait pas de différence significative entre les deux méthodes en ce qui concerne le nombre d’astrocytes subissant l’apoptose (Figure 5D).

Figure 1 : Aperçu graphique du processus de fabrication d’organoïdes dérivés de patients (PDO) à l’aide d’un hacheur automatisé par rapport à une approche manuelle. L’illustration représente les différentes étapes impliquées, y compris (A) le prélèvement d’échantillons, (B) la dissection du matériel tumoral, (C) le lavage et (D) l’incubation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Morphologie de l’AOP au cours de la première semaine de culture. Comparaison de la formation des AOP après dissection à l’aide du broyeur automatisé et de la méthode manuelle. Barres d’échelle = 1000 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Nombre d’AOP au cours des quatre premières semaines de culture. L’axe des x affiche le temps en semaines (W) et l’axe des y le nombre d’ODO de l’approche C (bleu) et M (rouge) (n = 5). Chaque point de données représente le nombre moyen, avec des barres d’erreur indiquant l’erreur type de la moyenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Taux de prolifération cellulaire dans les PDO (A) Images d’immunofluorescence représentatives (n = 3) des cellules GFAP positives (vert), Ki67 positives (rouge) et DAPI (bleu) dans les PDO des patients 3, 4 et 5 (Tableau 1). Toutes les AOP ont été traitées à l’aide des méthodes du hacheur (C) et manuelle (M). Barres d’échelle = 100 μm. (B) Comparaison des deux méthodes concernant le nombre relatif de cellules positives à la GFAP, (C) cellules positives au Ki67 et (D) cellules positives au Ki67/GFAP double. Les résultats non significatifs sont indiqués par « ns ». Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Taux d’apoptose dans les PDO (A) Images d’immunofluorescence représentatives (n = 3) des cellules GFAP positives (vert), CC3 positives (rouge) et DAPI (bleu) dans les PDO des patients 3, 4 et 5 (Tableau 1). Toutes les AOP ont été traitées à l’aide des méthodes du hacheur (C) et manuelle (M). Barres d’échelle = 100 μm. (B) Comparaison des deux méthodes concernant le nombre relatif de cellules positives à la GFAP, (C) cellules CC3 positives et (D) cellules CC3/GFAP doublement positives. Les résultats non significatifs sont indiqués par « ns ». Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Tableau 1 : Caractéristiques et paramètres cliniques des patients. GBM = glioblastome de type sauvage IDH, grade 4 de l’OMS du SNC ; LGG = gliome de bas grade ; KPS = score de performance de Karnofsky ; MGMT = O 6-méthylguanine-ADN méthyltransférase ; IDH1 = isocitrate déshydrogénase 1, IDH2 = isocitrate déshydrogénase 2, ATRX = α-thalassémie/retard mental, gène lié à l’X ; M = morphologie ; CC = nombre de cellules ; p = prolifération ; A = apoptose. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 2 : Compositions moyennes. H-GPSA = Hibernate A-Glutamax pencillin streptomycine amphotéricine B. PDO = Organoïdes dérivés du patient DMEM : Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium. NEAA : acides aminés non essentiels. Streptocoque stylo : Pénicilline/Streptomycine Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 3 : Aperçu des techniques utilisées pour générer des modèles de culture cellulaire. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Figure supplémentaire 1 : Canaux individuels de coloration de la prolifération des DO. (A) DAPI (bleu), (B) cellules GFAP positives (vert), (C) cellules Ki67 positives (rouge) et (D) canal de recouvrement dans les PDO des patients 3, 4 et 5. Barres d’échelle = 100 μm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Figure supplémentaire 2 : Canaux individuels de coloration par apoptose des PDO. (A) DAPI (bleu), (B) cellules GFAP positives (vert), (C) cellules CC3 positives (rouge) et (D) canal de recouvrement dans les PDO des patients 3, 4 et 5. Barres d’échelle = 100 μm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Cette étude présente une méthode automatisée pour générer des organoïdes tridimensionnels de glioblastome dérivés de patients à l’aide d’un hachoir à tissus. La méthode fournit une approche appropriée et efficace pour obtenir de tels organoïdes pour des tests thérapeutiques.
Cette recherche a été financée par le Centre interdisciplinaire de recherche clinique (IZKF, B-450) de Würzburg, le Centre bavarois de recherche sur le cancer (BZKF) et la publication soutenue par le Fonds d’édition en libre accès de l’Université de Würzburg. Nous tenons à remercier Dagmar Hemmerich et Siglinde Kühnel, toutes deux de la section de neurochirurgie expérimentale, département de neurochirurgie, hôpital universitaire de Würzburg, pour leur soutien technique. La figure 1 a été créée à l’aide de www.biorender.com.
| 2-mercaptoéthanol (1000x) | Gibco | 21985023 | |
| 30 % de formaldéhyde sans méthanol | Carl Roth | 4235.1 | Utilisé à 4 |
| 70 % d’éthanol | Solution Pour la stérilisation  ; | ||
| Comprimés d’agarose 0,5 g | Carl Roth | HP67.7 | |
| Amphotéricine B 250 & micro ; g/mL | Gibco | 15290018 | |
| Pince anatomique | Hartstein |   ; N/A | |
| Spatule anatomique | Hartstein |   ; N/A | |
| B-27 Supplément sans vitamine A (50x) | Cassette de biopsie12587010 | Gibco | |
| avec couvercle | Resolab | 37001-b | |
| Lames pour McIlwain Tissue Chopper | Instruments Campden | Modèle TC752-1 | |
| Anticorps CC3 (Asp 175) | Technologie de signalisation cellulaire | 9661 | |
| Scalpel jetable |   ; Plume |   ; | 0200130015 |
| Eau distillée | Gibco | 15230089 | Pour diluer le formaldéhyde |
| Dulbecco’s Modified Eagle Serum Nutrient Mixture (DMEM) F-12 (1:1) (1x) | Gibco | 11330032 | comprend de la L-glutamine et 15 mM |
| de solution saline tamponnée au phosphate HEPES Dulbecco’s (PBS) | Sigma Life Sciences | D8537-500ML | Modifié, sans chlorure de calcium, chlorure et chlorure de magnésium, liquide, filtré stérilement, adapté à la culture cellulaire |
| eBioscience 1x Tampon de lyse RBC | Invitrogen | 433357 | |
| Falcon tube 50 ml Cellstar | Greiner Bio-One | 227261 | |
| Anticorps GFAP | Santa Cruz Biotechnology | sc33673 | |
| Bécher en verre |   ; N/A |   ; N/A | |
| Boîte de Pétri en verre | N/A | N/A | |
| GlutaMAX (100x) | Gibco | 35050061 | |
| Heracell 240i Incubateur CO2 | Thermo scientific | 51032875 | |
| Herasafe 2025 Enceinte de sécurité biologique | Thermo scientific | 5016643 | |
| Hibernate-A | Gibco | A1247501 | |
| Histoacryl glue | B. Braun 1050052 | chirurgical | |
| Insuline humaine, Solution | Santa Cruz Biotechnology | sc-360248 | |
| Glacière |   ; N/A |   ; N/A | |
| Anticorps Ki67 | Abcam | ab16667 | |
| McIlwain Tissue Chopper | Cavey Laboratory Engineering | 51350V | |
| Microscope Leica DMI 3000B, DMI 4000B, DMI 6000B | Leica | DMI6000B | Pour les images en fond clair et d’immunofluorescence |
| Microscope stéréozoom S9D | Leica | W841832 | Pour la découpe manuelle et la surveillance des organoïdes |
| Micro-ondes | Bosch | N/A | Pour chauffer la solution d’agarose |
| Montage des disques en plastique | Cavey Laboratory Engineering | 51354 | |
| N-2 Supplément (100x) | Gibco | 17502048 | |
| NEM Acides aminés non essentiels (NEAA) (100x) | Gibco | 11140050 | |
| Neurobasal (1x) | Gibco | 21103049 | |
| Orbital agitateur Rotamax120 | Heidolph | 10304491 | |
| Pénicilline Streptomycine Gibco | 15140122 | ||
| Boîtes de Pétri en plastique Cellstar | greiner bio-one | 628160 | n = 12 |
| Pipette monocanal 1000 µ ; m | Eppendorf | 4924000010 | |
| Pipette monocanal 5000 & micro ; m | Eppendorf | EP3123000276 | |
| Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) version 23.0 | IBM | ||
| Surgipath Paraplast | Leica | 39601006 | Embedding medium |
| Ultra-low attachment Nucleon Sphera Plaque à 6 puits | Thermo Scientific | 174932 |