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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
본 프로토콜은 통합 조직 보존 시스템을 갖춘 최소 침습적 접근법을 통해 설치류에서 뇌종양의 표준화 된 절제술을 설명합니다. 이 기술은 설치류 및 기타 동물 모델의 치료 표준을 정확하게 반영하는 데 의미가 있습니다.
본 프로토콜은 설치류 뇌종양 절제술 및 조직 보존을 위한 표준화된 패러다임을 기술한다. 임상 실습에서 최대 종양 절제술은 대부분의 뇌종양에 대한 표준 치료 치료법입니다. 그러나 현재 이용 가능한 대부분의 전임상 뇌종양 모델은 절제를 포함하지 않거나 시간이 많이 걸리고 상당한 수술 후 이환율, 사망률 또는 실험적 변동성을 유발하는 외과적 절제 모델을 활용합니다. 또한 설치류에서 절제를 수행하는 것은 임상적으로 비교할 수 있는 수술 도구 또는 프로토콜의 부족과 표준화된 조직 수집을 위한 확립된 플랫폼의 부재를 포함하여 여러 가지 이유로 어려울 수 있습니다. 이 프로토콜은 다기능, 비 절제 장치 및 장치의 임상 버전에서 채택 된 통합 조직 보존 시스템의 사용을 강조합니다. 본 연구에 적용된 장치는 조정 가능한 흡입과 조리개에 원통형 블레이드를 결합하여 조직을 정밀하게 조사, 절단 및 흡입합니다. 최소 침습 절제 장치는 초기 종양 이식에 사용 된 것과 동일한 버 구멍을 통해 기능을 수행합니다. 이 접근법은 생검 또는 절제 수술 중 국소 해부학의 변경을 최소화하고 심각한 혈액 손실 위험을 줄입니다. 이러한 요인들은 수술 시간(<2분/동물)을 크게 단축하고, 수술 후 동물 생존을 개선하고, 실험 그룹의 변동성을 낮추고, 향후 분석을 위해 절제된 조직과 세포의 높은 생존력을 초래합니다. 이 과정은 ~ 1,400 사이클 / 분의 블레이드 속도로 촉진되며, 이는 선택한 생리 학적 용액으로 채워질 수있는 멸균 폐쇄 시스템으로 조직을 수확 할 수있게합니다. 수술의 영향, 지역화된 종양 절제술 표본의 보존 및 엄격한 비교 분석, 공동 내 전달 치료제를 연구하고 정확하게 모델링하는 것의 중요성이 커짐에 따라 이 독특한 프로토콜은 뇌종양 환자를 위한 수술 전후 관리 및 치료 발견에 대한 답이 없는 질문을 탐구할 기회를 확대할 것입니다.
교모세포종(GBM)은 성인에서 가장 흔하고 공격적인 원발성 뇌종양입니다. 최근 신경외과, 표적 약물 개발 및 방사선 요법의 발전에도 불구하고 GBM 환자의 5년 생존율은 5% 미만으로 30년 이상 크게 개선되지 않은 통계입니다1. 따라서보다 효과적인 치료 전략이 필요합니다.
새로운 치료법을 개발하기 위해 연구 프로토콜은 (1) 종양 이질성과 미세 환경을 정확하게 요약하는 번역 가능한 전임상 모델을 활용하고, (2) 현재 수술, 방사선 요법 및 화학 요법을 포함하는 GBM 환자에게 사용되는 표준 치료 요법을 반영하고, (3) 절제 된 코어와 잔여 코어의 차이를 설명해야한다는 것이 점점 더 분명 해지고 있습니다. 침윤성 종양 조직 2,3,4,5. 그러나 현재 이용 가능한 대부분의 전임상 뇌종양 모델은 외과적 절제를 시행하지 않거나 상대적으로 시간이 많이 소요되는 외과적 절제모델을 활용하여 상당한 양의 출혈을 초래하거나 표준화가 부족합니다. 또한, 설치류 뇌종양의 절제를 수행하는 것은 임상적으로 비교 가능한 수술 도구 또는 프로토콜이 부족하고 체계적인 조직 수집을 위한 확립된 플랫폼6의 부재로 인해 어려울 수 있습니다(표 1).
본 프로토콜은 다기능 비절제 최소 침습 절제 시스템(MIRS) 및 통합 조직 보존 시스템(TPS)을 사용하여 설치류 뇌종양 절제 및 조직 보존을 위한 표준화된 패러다임을 설명하는 것을 목표로 합니다(그림 1). 이 독특한 기술은 GBM 및 기타 유형의 뇌종양 모델에 대한 전임상 연구의 다양한 연구에 활용할 수있는 표준화 된 플랫폼을 제공 할 것으로 기대됩니다. 뇌종양에 대한 치료 또는 진단 양식을 조사하는 연구원은 이 프로토콜을 구현하여 연구에서 표준화된 절제를 달성할 수 있습니다.
모든 동물 연구는 메릴랜드 대학과 존스 홉킨스 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회의 승인을 받았습니다. C57BL/6 암컷 마우스, 6-8주령을 본 연구에 사용하였다. 마우스는 상업적 출처로부터 수득하였다( 재료 표 참조). 마스크, 장갑 및 가운 사용을 포함한 모든 생물안전 레벨 2(BSL-2) 규정을 준수했습니다.
1. 초기 두개내 종양 이식
2. MIRS를 이용한 종양 절제술
3. TPS를 통한 조직 수집
4. 부착 배양에서 성장하는 세포
5. 현탁 배양에서 성장하는 세포 (신경구)
6. 재 이식을위한 세포 준비
7. 조직 학적 분석
MIRS를 이용한 외과적 절제술은 종양 부담의 현저한 감소를 초래한다.
종양 부담이 더 작은 그룹에서 평균 기준선 생체 발광 신호는 절제술을받은 하위 그룹에서 5.5e + 006 광자 / s ± 0.2e + 006이었습니다. 절제술 후 평균 생체 발광 신호는 0.3e + 006 ± 3.09e + 006 광자 / s로 감소했습니다 (p <0.0001, Mann-Whitney 테스트) 9 (그림 2)). 생체발광 신호는 마우스를 안락사시킬 때까지 다음 며칠 동안 증가하였다. 유사하게, 종양 부담이 더 큰 그룹에서 평균 기준선 생체 발광 신호는 절제술을받은 하위 그룹에서 1.68e + 007 광자 / s ± 0.1e + 007이었습니다. 절제술 후, 평균 생체발광 신호는 0.2e+006± 5.19e+006 광자/초로 감소하였다(p <0.0001, Mann-Whitney test)9. 생체발광 신호는 마우스를 안락사시킬 때까지 다음 며칠 동안 증가하였다.
MERS를 사용한 절제술은 원하는 절제량에 맞게 조정할 수 있습니다.
동종 CT2A 종양의 절제 전 영상에서 종양은 일반적으로 T2 가중 (T2w) 저강도 및 고강도의 이질적인 영역으로 나타나는 실질 조직 구조 및 종양 주위 부종 및 출혈이있는 접종 부위에서 이질적인 종괴로 식별 될 수 있습니다. 정위 종양 세포 주입에 사용되는 바늘 트랙은 T2w MRI 스캔(14) 상에서 확인될 수 있다.
절제술 공동은 절제 후 T2w MRI 스캔에서 종양 접종 부위의 큰 원형 저강도 영역으로 식별할 수 있습니다(그림 3). 절제 절차는 심각한 혈액 손실이나 주변 뇌 구조의 붕괴를 일으키지 않았습니다. 어떤 경우에는 유체가 절제 공동에 축적되었습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 절제술 부피는 절단 개구의 한 번의 회전에 대해 9.4mm3에서 두 번의 회전을 위한 23.2mm3로 크게 증가하여(p = 0.0117) 알려진 종양 부담에 최적화하기 위해 부피 절제술을 조정할 수 있었습니다.
MIRS를 이용한 종양 절제술은 신경학적 징후를 유도하지 않고 종양 보유 마우스의 생존율 중앙값을 7일간 연장시킨다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 작은 (6 일) 및 큰 (7 일) 종양이있는 두 그룹 모두에서 외과 적 절제를받은 마우스의 생존이 연장되었다. 종양 부담이 작은 그룹에서 대조군 하위 그룹의 생존 중앙값은 16 일이었고 절제술을받은 하위 그룹의 생존 중앙값은 22 일이었습니다 (p = 0.0044). 유사하게, 종양 부담이 더 큰 그룹에서 대조군 하위 그룹의 생존 중앙값은 12일인 반면 절제술을 받은 하위 그룹의 생존 중앙값은 19일이었습니다(p = 0.0043). 또한, MIRS를 사용하여 절제를받은 마우스 중 어느 것도 시술 후 신경 학적 손상의 징후를 보이지 않았다. 이는 MIRS가 안전한 절제를 달성할 수 있음을 나타냅니다.
MIRS를 사용하여 절제된 조직은 높은 시험관 내 및 생체 내 생존력을 가지고 있습니다.
절제된 조직에서 추출한 세포를 시험관내 또는 생체내 생존력 실험을 수행하기 전에 적절한 배지(그림 6)에 여과, 정량 및 재현탁시켰다. 세포의 시험관내 생존율을 검사하고 정상 뇌 실질이 아닌 종양의 절제를 확인하기 위해, 세포를 현탁 배양에서 성장시켰다. 종양 시작 가능성에 대한 지표인 신경권 형성은 절제술 후 최소한의 조직 처리로 발생했습니다. 이것은 MIRS 플랫폼이 잘 해리 된 조직을 수확하고 절제 된 조직의 건강과 생존력에 최소한의 영향을 미친다는 것을 시사했습니다. TPS에서 광학 현미경으로 직접 채취한 샘플은 주로 몇 개의 작은 조직 덩어리의 존재와 함께 단일 세포 형태로 나타났습니다. 0일째 생존율은 30%-70% 범위였습니다(이는 샘플을 70μm 필터를 통과시킨 후 및 도금 전의 생존율을 나타냄). 절제 장치에는 절제 프로브의 축에서 360° 회전할 수 있는 절단 조리개가 있어 동심 조직 부피를 절제할 수 있습니다. 평균적으로 절단 조리개를 360 ° 한 번 돌리면 2-3 백만 개의 세포를 수확 할 수 있고, 두 바퀴로 약 700 만 개의 세포를 수확 할 수 있으며, 절단 조리개를 세 번 3 번 돌리면 총 12-14 백만 개의 세포를 얻을 수 있습니다. 무혈청 완전 줄기세포 배지가 들어 있는 현탁 플라스크에 플레이팅한 후, 2일째에는 광학 현미경으로, 7일째에는 육안으로 신경구를 볼 수 있었습니다(그림 7).
생체내 생존력을 조사하기 위해, 추출된 세포를 나이브 C57BL/6 마우스(n=8 마우스, 100,000 생세포/마우스)에 두개 내 이식하였다. 종양 성장은 생체내 영상화 시스템을 이용하여 확인하였다. 종양 신호는 모든 동물이 종양 이식 후 14일째에 안락사될 때까지 계속 증가하였다(생존 11일의 중앙값).
대표적인 H & E 조직 섹션 (그림 3B)에는 혈액 제제 (진한 분홍색), 염증 및 잔류 종양 세포 (진한 보라색 세포)의 테두리가있는 투명한 원형 절제 캐비티가 있습니다. 거시적으로 잔류 종양 세포는 본질적으로 중간엽이며 침윤성이며 광범위한 혈관 주위 침범 및 증식을 나타냅니다. 현미경으로 표시된 핵 이형성과 유사 분열 수치가 확인되었습니다. 종양 관련 대식세포는 또한 경색 조직 및 미세 출혈 영역 주변에서 확인되었습니다. 주변 뇌 실질의 조직 구조는 방해받지 않는 것으로 보였다.

그림 1: MIRS 시스템 설정. (A) 조직 보존 시스템이 통합된 설치류 모델의 뇌종양에 대한 최소 침습 절제 시스템(MIRS). (B) MIRS 콘솔의 전면 패널. 1 = 시스템 전원, 2 = 풋 페달, 3 = 프라임 버튼, 4 = 흡인, 5 = 흡인 레벨 조절 다이얼, 6 = 흡인 레벨 표시기, 7 = 핸드피스, 8 = 커터 활성화 버튼. (C) MIRS 콘솔의 후면 패널. 1 = 전원 코드 콘센트, 2 = 회로 차단기, 3 = 질소 공급 입력. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: MIRS에 의한 종양 절제술을 받은 마우스와 치료되지 않은 종양이 있는 마우스의 평균 종양 부담도의 변화. (A) 기준선 종양 부담이 작은 마우스 및 (B) 기준선 종양 부담이 큰 마우스(p < 0.0001, SD ≤0.3e+006, 각 시점에서 모든 그룹에서 그래프에 표시하기에는 너무 작음). 동물들은 종양 부담에 굴복하거나 안락사되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3 : MRI 및 H & E 분석. (A) 절제전 및 절제후 T2 강조 뇌 MRI 이미지 및 (B) 혈액 제품 (진한 분홍색), 염증 및 잔류 종양 세포 (진한 보라색 세포)의 테두리가있는 투명한 원형 절제소를 보여주는 대표적인 H & E 염색 관상 동맥 뇌 섹션. MRI 이미지와 H & E 절편은 절제 직후에 획득되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 종양 절제술 부피 측정. 1 대 1로 생성된 절제술 공동의 MRI 이미지에서 계산된 평균 부피. 절단 조리개를 두 번 회전, 그룹당 n = 4. p = 0.01, 양측 T-검정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 미처리 종양이 있는 마우스 대 MIRS에 의한 종양 절제술을 받는 마우스의 카플란-마이어 곡선 . (A) 기준선 종양 부담이 작은 마우스. (b) 기준선 종양 부담이 큰 마우스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 절제된 종양 세포의 생존율 테스트. (A) 20x에서 0일째에 MIRS로 수확한 조직의 대표적인 광학 현미경 이미지. (B) 절제된 조직으로부터 채취한 세포의 두개내 이식 후 마우스의 생존을 설명하는 카플란-마이어 곡선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7 : 신경구의 형성. 절제 후 2일째 (A) 20x 및 (B) 10x에서, 7일째 절제 후 (C) 20x 및 (D) 10x에서 절제된 조직에서 생성된 신경구의 대표적인 광학 현미경 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 최소 침습 절제술 시스템 | 역사적 절제술 | |
| 수술 시간 및 기술 | 최소 수술 시간 (각 동물에 대해 <2 분). 최소한의 기술이 필요합니다. | 수술 시간은 표준화되지 않았으며 작은 동물과 미세 수술에 대한 수술 경험이 유익합니다. |
| 혈액 손실 | 최소 | 예측할 수 없는 |
| 표준화된 절제량 | 절제 도구의 회전 수에 의해 결정/조정된 절제량 | 볼륨은 주제마다 크게 다릅니다. |
표 1: 최소 침습 절제 시스템(MIRS)과 과거 외과적 절제 모델 간의 비교.
BT는 NIH로부터 연구 자금을 지원받으며 Accelerating Combination Therapies *의 공동 소유자이며 Ashvattha Therapeutics Inc.는 그녀의 특허 중 하나를 라이센스했습니다. GW에는 NIH 자금(R01NS107813)이 있습니다. HB는 Insightec의 유료 컨설턴트이자 회사의 의료 자문위원회 의장입니다. 이 협정은 존스 홉킨스 대학의 이해 상충 정책에 따라 검토 및 승인되었습니다. HB는 NIH, 존스 홉킨스 대학 및 자선 단체로부터 연구 자금을 지원받으며 CraniUS, Candel Therepeutics, Inc., Accelerating Combination Therapies *, Catalio Nexus Fund II, LLC *, LikeMinds, Inc *, Galen Robotics, Inc. * 및 Nurami Medical*의 컨설턴트입니다. (*주식 또는 옵션 포함).
본 프로토콜은 통합 조직 보존 시스템을 갖춘 최소 침습적 접근법을 통해 설치류에서 뇌종양의 표준화 된 절제술을 설명합니다. 이 기술은 설치류 및 기타 동물 모델의 치료 표준을 정확하게 반영하는 데 의미가 있습니다.
| 1 mL 주사기 | BD | 309628 | |
| 15 mL 코니컬 튜브 | Corning | 430052 | |
| 200 proof 에탄올 | PharmCo | 111000200 | |
| 5 mL 피펫 | CoStar | 4487 | |
| 70 미크론 필터 | Fisher | 08-771-2 | |
| Accutase | Millipore Sigma | SIG-SCR005 | |
| Anased (자일라진 주사, 100 mg/mL) | Covetrus | 33198 | |
| 마취 시스템 | Patterson Scientific | 78935903 | |
| 마취 가스 폐기물 용기 | Patterson Scientific | 78909457 | |
| 벤치 프로텍터 언더패드 | Covidien | 10328 | |
| C57Bl/6, 6-8주 된 마우스 | Charles River Laboratories | 스트레인 코드 027 | |
| ChroMini Pro | Moser | Type 1591-Q | |
| Collagenase-Dispase | Roche | #10269638001 | |
| Countess II 자동 세포 계수기 | Thermo Fisher | ||
| Countess II FL 혈구계 | Thermo Fisher | A25750 | |
| 잔해 제거 솔루션 | Miltenyi Biotech | #130-109-398 | |
| D-Luciferin | Goldbio | LUCK-1G | |
| DMEM F12 매체 | Corning | 10-090-CV | |
| DMEM 매체 | Corning | 10-013-CV | |
| DNAse I | Sigma Aldrich | #10104159001 | |
| Eppendorf tubes | Posi-Click | 1149K01 | |
| 안락사 솔루션 | Henry Schein | 71073 | |
| FBS | Millipore Sigma | F4135 | |
| 태아 소 혈청 | Thermo Fisher | 10437-028 | |
| Formalin | Invitrogen | INV-28906 | |
| Gauze | Henry Schein | 101-4336 | |
| hEGF | PeproTech EC | 100-15 | |
| Heparin | Sigma | H-3149 | |
| hFGF-b | PeproTech EC | 1001-18B | |
| 인덕션 챔버 | Patterson Scientific | 78933388 | |
| Isoflurane | Covetrus | 11695-6777-2 | |
| Isoflurane 기화기 | Patterson Scientific | 78916954 | |
| Ketamine | Covetrus | 11695-0703-1 | |
| Kopf Stereotactic frame | Kopf Instruments | 5001 | |
| Lightfield Microscope | BioTek | Cytation 5 | |
| Microinjection Unit | Kopf | 5001 | |
| Micromotor drill | Foredom | F210418 | |
| MRI 시스템 | Bruker | 7T Biospec Avance III MRI 스캐너 | |
| NICO Myriad System | NICO Corporation | ||
| 안과 연고 | Puralube 수의사 연고 | ||
| Papain | Sigma Aldrich | #P4762 | |
| PBS | Invitrogen | #14190250 | |
| PenStrep | Millipore Sigma | N1638 | |
| Percoll 용액 | Sigma Aldrich | #P4937 | |
| 피펫 컨트롤러 | Falcon | A07260 | |
| 포비돈-요오드 용액 | Aplicare | 52380-1905-08 | |
| 프로게스테론 | 시그마 | P-8783 | |
| Putrescine | 시그마 | P-5780 | |
| RPMI 미디어 | 인비트로젠 | INV-72400120 | |
| 메스 블레이드 | Covetrus | 7319 | |
| 메스 핸들 | Fine Science Tools | 91003-12 | |
| 스킨 마커 | 시간 초과 | D538,851 | |
| 스테이플 제거제 | MikRon | ACR9MM | |
| 스테이플러 | MikRon | ACA9MM | |
| 스테이플 클레 | 이 Adams | 427631 | |
| 정위 프레임 | Kopf Instruments | 5000 | |
| 설탕 | 시그마 Aldrich | S9378 | |
| 봉합사, vicryl 4-0 | Ethicon | J494H | |
| T-75 배양 플라스크 | Sarstedt | 83-3911-002 | |
| TheraPEAKTM ACK 용해 버퍼 (1x) | Lonza | BP10-548E | |
| 트립신-EDTA | 코닝 | MDT-25-053-CI |