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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
이 연구는 조직 초퍼를 사용하여 환자 유래 교모세포종 3차원 오가노이드를 생성하는 자동화된 방법을 소개합니다. 이 방법은 치료 테스트를 위해 이러한 오가노이드를 얻기 위한 적절하고 효과적인 접근 방식을 제공합니다.
교모세포종(Glioblastoma, IDH-wild type), CNS WHO 등급 4(GBM)는 적극적인 치료에도 불구하고 환자의 생존율이 낮은 원발성 뇌종양입니다. 사실적인 ex vivo 모델을 개발하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 환자 유래 3차원 오가노이드(PDO) 모델은 교모세포종의 표현형 및 분자 이질성을 포착하는 동시에 원래 종양의 주요 특성을 보존하는 혁신적인 플랫폼을 제공합니다. 그러나 PDO 생성을 위한 수동 해부는 시간과 비용이 많이 들며 불규칙하고 크기가 고르지 않은 PDO가 많이 발생할 수 있습니다. 이 연구는 자동화된 티슈 쵸퍼를 사용하여 PDO 생산을 위한 혁신적인 방법을 제시합니다. 4명의 교모세포종과 1명의 성상세포종, IDH-돌연변이, CNS WHO 등급 2 환자의 종양 샘플은 조직 초퍼를 사용하여 수동으로 처리되었습니다. 수동 접근 방식에서는 현미경으로 제어하는 메스를 사용하여 종양 물질을 절개하고 조직 초퍼를 세 가지 다른 각도로 사용했습니다. 37°C에서 궤도 셰이커에서 배양한 후 명시야 현미경을 사용하여 형태학적 변화를 평가하고, 6주 후 면역형광으로 증식(Ki67) 및 세포사멸(CC3)을 평가했습니다. 조직 초퍼 방법은 제조 시간의 거의 70%를 단축시켰고 두 번째 주부터 수동으로 처리된 조직에 비해 훨씬 더 높은 PDO 평균 수를 가져왔습니다(2주차: 801 대 601, P = 0.018; 3주차: 1105 대 771, P = 0.032, 4주차: 1195 대 784, P < 0.01). 품질 평가는 두 제조 방법 모두에서 유사한 종양 세포 사멸 및 증식 속도를 보여주었습니다. 따라서 자동 조직 초퍼 방법은 시간 및 PDO 수율 측면에서 보다 효율적인 접근 방식을 제공합니다. 이 방법은 교모세포종 환자의 약물 또는 면역 요법 스크리닝에 대한 가능성을 가지고 있습니다.
저등급 신경교종(LGG)은 교모세포종과 같은 고등급 신경교종에 비해 일반적으로 느리게 성장하고 덜 공격적인 비교적 희귀한 뇌종양 그룹입니다. 성인과 소아 모두에서 발생할 수 있으며 성인에서 약간 더 유병률이 높습니다. 정확한 유병률은 지역과 인구에 따라 다르지만, LGG는 모든 원발성 뇌종양의 약 15%-20%를 차지한다1. LGG의 치료 전략에는 신경학적 기능을 보존하면서 종양 절제를 극대화하는 것을 목표로 하는 수술, 방사선 요법 및 화학 요법의 조합이 포함되는 경우가 많습니다. LGG의 관리는 복잡할 수 있으며, 치료법 선택은 종양 위치 및 분자 특성과 같은 요인에 따라 달라질 수 있다2. LGG의 유전적 및 분자적 토대에 대한 이해의 발전은 더 많은 표적 치료법으로 이어졌으며 지속적인 연구는 치료 접근 방식을 계속 개선하고 있습니다.
한편, 교모세포종(Glioblastoma, IDH-wild type, CNS WHO grade 4, GBM)은 성인에서 발견되는 가장 흔한 원발성 뇌종양으로, 100,000인년당 3.19-4.17건의 발병률을 보인다3. 교모세포종은 두통, 발작, 국소 신경학적 결손, 성격 변화, 두개내압 상승 등의 증상을 유발합니다. 교모세포종의 표준 치료법은 가능한 경우 종양의 부피를 줄인 후 테모졸로마이드와 방사선 요법을 병용하는 것이다4. 또한, 테모졸로마이드와 로무스틴의 병용은 O6-메틸구아닌-메틸전이효소(MGMT)-프로모터 메틸화 환자의 전체 생존율 중앙값을 향상시킬 수있다 5. 그러나 이러한 최근의 치료적 접근에도 불구하고 교모세포종은 예후가 좋지 않은 난치성 질환으로 남아 있으며, 환자의 전체 생존율 중앙값은 16개월에서 전기장 종양 치료(TTFields)를 추가할 경우 최대 20.9개월입니다 3,6. 교모세포종에서 여러 면역 요법이 연구되었으나 생체 내 효능이 제한적인 것으로 나타났습니다. 더욱이, 임상적 및 전임상적 한계는 치료적 돌파구를 방해한다7. 교모세포종의 inter-8 및 intratumoral9 이질성으로 인해 적절하고 현실적인 ex vivo 모델을 확립하는 것이 어려웠습니다.
기존의 2차원(2D) 환자 세포주는 균질한 세포 집단을 나타내며 고처리량 약물 스크리닝에 적합합니다. 그러나, 환자 유래 및 불멸화된 세포주는 여러 번의 통과 후 성장 조건의 차이와 유전형 및 표현형 특징의 편차로 인해 교모세포종을 적절하게 모방하지 못한다10,11,12.
한편, 3D 오가노이드 모델은 최근 장기 및 다양한 암 유형 13,14,15,16,17,18의 표현형 및 분자 이질성을 복제하는 유망한 시스템으로 부상하고 있습니다. 교모세포종의 맥락에서, 대뇌 오가노이드는 종양과 유사한 특성을 모방하기 위해 유전자 변형되었거나16,17 종양 세포 침윤을 유도하기 위해 GSC 또는 스페로이드와 함께 배양되었다18,19. Matrigel 및 EGF/bFGF로 배양한 환자 유래 교모세포종 오가노이드는 줄기세포 이질성 및 저산소증20과 같은 교모세포종의 특징을 나타내지만, 이 모델이 환자 신생물의 주요 분자 특성을 어느 정도까지 나타낼 수 있는지는 여전히 불확실합니다.
환자 유래 교모세포종 오가노이드(PDO)는 조직학적 특성, 세포 다양성, 유전자 발현 및 돌연변이 프로파일을 포함하여 유사한 부모 종양의 우세한 특징을 유지할 수 있는 유망한 모델입니다. 또한, 이들은 성인 설치류의 뇌에 이식될 때 빠르게 침투하여 약물 검사 및 맞춤형 치료를 위한 현실적인 모델을 제공한다21. 그러나 PDO를 생성하기 위해 종양 조직을 수동으로 절개하는 것은 시간과 비용이 많이 듭니다. 따라서 많은 수의 PDO를 생산할 수 있는 신속한 방법이 시급히 필요하며, 이를 통해 개별화된 약물 검사를 약속하는 다양한 치료 접근법을 종합적으로 평가할 수 있습니다. 이 연구는 자동 조직 초퍼를 사용하여 갓 절개한 종양 조직에서 직접 PDO를 제조하는 새로운 방법을 설명합니다. 또한, 이 방법으로 생성된 PDO는 PDO 수, 형태학적 특징, 세포사멸 및 종양 세포의 증식 측면에서 동일한 환자로부터 수동으로 절개된 PDO와 비교되었습니다.
모든 환자는 헬싱키 선언에 따라 뷔르츠부르크 대학의 기관 검토 위원회(#22/20-me)의 승인을 받은 서면 동의서를 제공한 후 독일 뷔르츠부르크 대학병원 신경외과에서 치료를 받았습니다. 교모세포종(GBM) 환자 4명과 성상세포종(astrocytoma) 1명, IDH-돌연변이, 중추신경계 WHO 2등급 환자(저등급 신경교종, LGG)의 종양 조직 물질(표 1)을 수술 후 얻어 다음 프로토콜을 사용하여 처리하였다. 조직 쵸퍼를 사용하여 PDO 생성을 자동화하는 과정을 쵸퍼(C)라고 하며, 현미경 제어 하에 두 개의 메스로 조직을 수동으로 절단하는 공정을 수동(M)이라고 합니다. 종양 샘플로부터 동일한 크기의 6개의 절편(1-2cm3)을 절개한 후, 각각을 반으로 자르고 두 가지 방법을 사용하여 균질하게 처리하였다. 앞서 언급한 종양 내 이질성으로 인해, 각 접근법에 대해 하나의 6-웰 플레이트가 각 환자로부터 생성되었으며, 각 웰은 원래 종양 내의 다른 부위에서 온 PDO를 나타냅니다. 두 절차 모두 층류 공기 흐름 캐비닛 아래에서 수행되었으며 사용된 모든 기구는 사용 전에 멸균되었습니다. 이 방법의 개요는 그림 1에 나와 있습니다.
1. 아가로스 블록 준비(C-접근법 전용, 선택 사항)
2. 종양 물질의 처리
3. 티슈 초퍼 설정
4. 종양 조직 조각 처리
5. 종양 조직 세척
6. 종양 조직 배양
7. PDO 고정 및 임베딩
8. 면역형광 염색
9. 평가 및 데이터 분석
교모세포종(GBM) 환자 4명과 LGG 환자 1명은 숙련된 신경병리학자(CMM)의 병리학적 확인 후 포함되었습니다. 대부분의 환자는 메틸화되지 않은 MGMT 프로모터를 가지고 있었고, 모든 교모세포종 환자는 IDH1 및 IDH2 야생형이었다(표 1). 평균적으로 제조 공정은 C 접근 방식에서 88.8분(+/- 6.3분), M 접근 방식에서 322분(+/- 17.2분) 동안 지속되었습니다. 전체 성공률은 4주 배양 후 수작업에서 87%, 초퍼 접근법에서 93%였습니다(n=5). 더욱이, C군에서 유래한 PDO는 1주일 이내에 원하는 둥근 모양에 도달하고 시험관 내 실험에 사용할 수 있을 만큼 충분히 성숙한 반면, M군의 PDO는 대부분 날카롭게 가장자리가 있고 정의되지 않은 상태로 남아 있었습니다(그림 2). C 접근법으로 처리된 종양 조직은 배양 첫 주 후 전체 281개의 PDO(환자당 평균 = 56 +/- 43)를 생성한 반면, M 접근법으로 250개의 PDO(환자당 평균 = 50 +/- 41)가 생성되었습니다. 배양 2주 동안, 5명의 환자 모두의 조직은 C 접근법으로 생성되었을 때 더 높은 PDO 수치를 산출했습니다(801; 환자당 평균= 130 +/- 38)과 M 접근법(601; 환자당 평균 = 76 +/- 44; P = 0.018)입니다. 배양 3주차 동안 C 접근법은 모든 환자로부터 전체 1105개의 PDO(환자당 평균 = 221 +/- 32)를 누적한 반면, M 접근법(P =0.032)에서는 771개의 PDO(환자당 평균= 155 +/- 34)를 누적했습니다. 또한, C 접근법을 사용하여 생성했을 때 4주간의 배양 후 총 1195개의 PDO(환자당 평균= 239 +/- 50)가 형성된 반면, M 접근법(P < 0.01)을 사용한 경우 784개(환자당 평균= 157 +/- 36)가 생성되었습니다. 따라서 C 방법은 두 번째 주부터 훨씬 더 높은 PDO 수를 보여주었습니다(그림 3). 또한 PDO 수의 상대적 변동을 평가하여 연속 주 간의 동적 추세를 탐색했습니다. 분석 결과, C 접근법의 첫 번째 주에서 두 번째 주(265%)로 전환하는 동안 PDO 수가 크게 급증했으며, 이는 빠른 진전을 나타냅니다. 그 후, 셋째 주(75%)에는 증가율이 낮아져 일시적인 조정이 반영되었습니다. 대조적으로, M 접근법은 PDO 카운트의 일관되고 꾸준한 증가를 보여주었으며(둘째 주에 92%, 셋째 주에 각각 67%), 이는 넷째 주에 카운트의 놀라운 안정성에 기여했습니다. PDO 수의 이러한 일관된 상승 추세는 관찰 기간 동안 C 접근법의 신뢰성과 복원력을 강조합니다.
2명의 교모세포종 환자와 1명의 LGG 환자가 PDO 내 성상세포 수(GFAP), PDO 세포 증식(Ki67) 및 세포사멸(CC3) 분석을 위해 포함되었습니다. 결정된 성상세포 수는 C 접근법에서 평균 43%, M 접근법에서 45%로 두 처리 방법 간에 유의한 차이가 없는 것으로 나타났습니다(그림 4 및 그림 5, 보충 그림 1 및 보충 그림 2). 마찬가지로, PDO 내 증식률은 C(3%)와 M(1%) 접근법 간에 비슷했습니다. 환자 5의 C 접근법으로 생성된 PDO만이 26%의 증식률을 보인 반면, M 접근법은 1%를 보였다(P =0.001; 그림 4C). 전반적으로 낮은 세포사멸 비율은 C 접근법으로 처리된 PDO에서 검출되었으며(3%), 모든 환자에 대한 M 접근법의 2%에 비해 유의한 차이가 없었습니다(그림 5C). 또한, 세포사멸을 겪는 성상세포의 수와 관련하여 두 방법 간에 유의한 차이가 없었습니다(그림 5D).

그림 1: 자동 다지기를 사용한 환자 유래 오가노이드(PDO) 제조 공정과 수동 접근 방식을 비교한 그래픽 개요. 그림은 (A) 샘플 수집, (B) 종양 물질 해부, (C) 세척 및 (D) 배양을 포함하여 관련된 다양한 단계를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 배양 첫 주 동안의 PDO 형태. 자동 초퍼와 수동 방법을 모두 사용한 PDO 해부 후 형성 비교. 스케일 바 = 1000 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 배양 첫 4주 동안의 PDO 수. x축은 시간(주)(W)을 표시하고, y축은 C(파란색) 및 M(빨간색) 접근 방식(n = 5)의 PDO 수를 표시합니다. 각 데이터 점은 평균 카운트를 나타내며 오차 막대는 평균의 표준 오차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: PDO 내 세포 증식률. (A) 환자 3, 4 및 5의 PDO에서 GFAP 양성 세포(녹색), Ki67 양성 세포(빨간색) 및 DAPI(파란색)의 대표적인 면역형광 이미지(n = 3)(표 1). 모든 PDO는 초퍼(C) 및 수동(M) 방법을 사용하여 처리되었습니다. 스케일 바 = 100 μm. (B) GFAP 양성 세포, (C) Ki67 양성 세포 및 (D) Ki67/GFAP 이중 양성 세포의 상대적 수에 관한 두 가지 방법의 비교. 유의하지 않은 결과는 "ns"로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: PDO 내 세포사멸 비율. (A) 환자 3, 4 및 5의 PDO에서 GFAP 양성 세포(녹색), CC3 양성 세포(빨간색) 및 DAPI(파란색)의 대표적인 면역형광 이미지(n = 3)(표 1). 모든 PDO는 초퍼(C) 및 수동(M) 방법을 사용하여 처리되었습니다. 스케일 바 = 100 μm. (B) GFAP 양성 세포, (C) CC3 양성 세포 및 (D) CC3/GFAP 이중 양성 세포의 상대적 수에 관한 두 가지 방법의 비교. 유의하지 않은 결과는 "ns"로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1: 환자의 특성 및 임상 매개변수. GBM = 교모세포종, IDH-야생형, CNS WHO 등급 4; LGG = 저등급 신경교종; KPS = Karnofsky 성과 점수; MGMT = O6-메틸구아닌-DNA 메틸전이효소; IDH1 = 이소시트레이트 탈수소효소 1, IDH2 = 이소시트레이트 탈수소효소 2, ATRX = α-지중해빈혈/정신지체, X-결합 유전자; M = 형태; CC = 셀 수; p = 증식; A = 세포사멸. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
표 2: 중간 조성물. H-GPSA = Hibernate A-Glutamax Pencillin 스트렙토마이신 암포테리신 B. PDO = 환자 유래 오가노이드 DMEM: Dulbecco's Modified Eagle's Medium. NEAA: 비필수 아미노산. 펜 연쇄상 구균 : 페니실린 / 스트렙토 마이신 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
표 3: 세포 배양 모델을 생성하는 데 사용되는 기법의 개요. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 1: PDO의 증식 염색의 개별 채널. (A) DAPI(파란색), (B) GFAP 양성 세포(녹색), (C) Ki67 양성 세포(빨간색) 및 (D) 환자 3, 4 및 5의 PDO에서 오버레이 채널. 스케일 바 = 100 μm. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 2: PDO의 세포사멸 염색의 개별 채널. (A) DAPI(파란색), (B) GFAP 양성 세포(녹색), (C) CC3 양성 세포(빨간색) 및 (D) 환자 3, 4 및 5의 PDO에서 오버레이 채널. 스케일 바 = 100 μm. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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이 연구는 조직 초퍼를 사용하여 환자 유래 교모세포종 3차원 오가노이드를 생성하는 자동화된 방법을 소개합니다. 이 방법은 치료 테스트를 위해 이러한 오가노이드를 얻기 위한 적절하고 효과적인 접근 방식을 제공합니다.
이 연구는 학제간 임상 연구 센터(IZKF, B-450) 뷔르츠부르크, 바이에른 암 연구 센터(BZKF) 및 뷔르츠부르크 대학의 오픈 액세스 출판 기금(Open Access Publishing Fund)의 지원을 받았습니다. 기술 지원을 제공해 주신 뷔르츠부르크 대학병원 신경외과 실험 신경외과 과장인 Dagmar Hemmerich와 Siglinde Kühnel에게 감사드립니다. 그림 1은 www.biorender.com 를 사용하여 만든 것입니다.
| 2-메르캅토에탄올 (1000x) | Gibco | 21985023 | |
| 30% 포름알데히드 메탄올 프리 | Carl Roth | 4235.1 | 4% 농도 |
| 70% 에탄올 용액 | 에 사용 | 살균용 | |
| 아가로스 정제 0.5 g | Carl Roth | HP67.7 | |
| Amphotericin B 250 µ g/mL | Gibco | 15290018 | |
| 해부학적 집게 | 하트슈타인 | N/A | |
| 해부학적 주걱 | 하트슈타인 | N/A | |
| 비타민 A 없는 B-27 보충제 (50x) | Gibco | 12587010 | |
| 생검 카세트 커버 포함 | Resolab | 37001-b | |
| McIlwain 조직 초퍼 | Campden 기구 | 용 블레이드모델 TC752-1 | |
| CC3 항체 (Asp 175) | 세포 신호 기술 | 9661 | |
| 일회용 칼 | 깃털 | 0200130015 | |
| 증류수 | Gibco | 15230089 | 포름알데히드를 희석하기 위해 |
| Dulbecco의 Modified Eagle Serum Nutrient Mixture (DMEM) F-12 (1:1) (1x) | Gibco | 11330032 | 에는L-글루타민 및 15mM HEPES가 포함됩니다 |
| Dulbecco의 인산염 완충 식염수(PBS) | Sigma Life Sciences | D8537-500ML | 수정된, 칼슘, 염화물 및 염화마그네슘 없이, 액체, 멸균 여과, 세포 배양에 적합 |
| eBioscience 1x RBC 용해 버퍼 | Invitrogen | 433357 | |
| Falcon tube 50 ml Cellstar | Greiner Bio-One | 227261 | |
| GFAP 항체 | Santa Cruz Biotechnology | sc33673 | |
| 유리 비커 | 해당 없음 | N/A | |
| 유리 페트리 접시 | N | /A | |
| GlutaMAX (100x) | Gibco | 35050061 | |
| Heracell 240i CO2 인큐베이터 | Thermo scientific | 51032875 | |
| Herasafe 2025 생물 안전 캐비닛 | Thermo scientific | 5016643 | |
| Hibernate-A | Gibco | A1247501 | |
| Histoacryl glue | B. Braun 수술 | 1050052 | |
| 인간 인슐린, 솔루션 | Santa Cruz Biotechnology | sc-360248 | |
| 아이스 박스 | 해당 없음 | N/A | |
| Ki67 항체 | Abcam | ab16667 | |
| McIlwain Tissue Chopper | Cavey Laboratory Engineering | 51350V | |
| 현미경 Leica DMI 3000B, DMI 4000B, DMI 6000B | Leica | DMI6000B | 명시야 및 면역형광 사진용 |
| 현미경 입체 줌 S9D | Leica | W841832 | 수동 절단 및 오가노이드 모니터링용 |
| 마이크로파 | Bosch | N/A | 아가로스 용액을 가열하려면 |
| 플라스틱 디스크 장착 | Cavey Laboratory Engineering | 51354 | |
| N-2 Supplement (100x) | Gibco | 17502048 | |
| NEM Non-Essential Amino Acids (NEAA) (100x) | Gibco | 11140050 | |
| Neurobasal (1x) | Gibco | 21103049 | |
| Orbital 진탕 기계 Rotamax120 | Heidolph | 10304491 | |
| Penicilin Streptomycin | Gibco | 15140122 | |
| 플라스틱 페트리 접시 Cellstar | greiner bio-one | 628160 | n = 12 |
| 단일 채널 피펫 1000 µ m | Eppendorf | 4924000010 | |
| 싱글채널 피펫 5000 µ m | Eppendorf | EP3123000276 | |
| Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) 버전 23.0 | IBM | ||
| Surgipath Paraplast | Leica | 39601006 | Embedding medium |
| Ultra-low attachment Nucleon Sphera 6-well plate | Thermo Scientific | 174932 |