Tumorsferoïden zijn naar voren gekomen als nuttige in vitro-hulpmiddelen bij het bestuderen van de etiologie, pathologie enresponsiviteit van kanker1. Traditioneel worden sferoïden gekweekt in omstandigheden zoals platen met lage adhesie of bioreactoren, waar cel-cel adhesie de voorkeur heeft boven cel-oppervlak adhesie2. Het wordt nu echter erkend dat om de micro-omgeving van de tumor getrouwer te recapituleren, in vitro sferoïde modellen zowel cel-cel- als cel-matrixinteracties moeten vastleggen. Dit heeft meerdere groepen ertoe aangezet om steigers te ontwerpen, zoals hydrogels, waar sferoïden kunnen worden ingekapseld 3,4. Dergelijke op hydrogel gebaseerde sferoïde modellen maken het mogelijk om cel-cel- en celmatrixinteracties op verschillende celgedragingen op te helderen, zoals levensvatbaarheid, proliferatie, stamheid of therapieresponsiviteit.
Hier beschrijven we een protocol voor het inkapselen van glioblastoomsferoïden in polyethyleenglycol (PEG) hydrogels. Er zijn meerdere literatuurrapporten over inkapseling van glioblastoomcellen in hydrogels. Sferoïden werden bijvoorbeeld gevormd door U87-cellen in te kapselen in PEG-hydrogels versierd met een RGDS-kleefligand en verknoopt met een enzymatisch splitsbaar peptide om het effect van hydrogelstijfheid op celgedrag te bepalen. U87-cellen zijn ook gevormd in andere op PEG gebaseerde of op hyaluronzuur gebaseerde hydrogels om de kankerstamcelpopulatie uit te breiden6 of om matrix-gemedieerde mechanismen van chemotherapieresistentie te onderzoeken 7,8,9. Glioblastoom-sferoïden zijn ook ingekapseld in gelatinehydrogels om de overspraak tussen microglia en kankercellen en het effect ervan op celinvasie te bestuderen10. Over het algemeen hebben dergelijke onderzoeken het nut aangetoond van op hydrogel gebaseerde in vitro modellen bij het begrijpen van glioblastoompathologie en het bedenken van behandelingen.
Verder zijn er verschillende methoden voor de fabricage van tumorsferoïden en hydrogel-inkapseling11. Gedispergeerde cellen kunnen bijvoorbeeld in hydrogels worden gezaaid en in de loop van de tijd sferoïden kunnen vormen 5,12. Een nadeel van een dergelijke methode is de polydispersiteit van de gevormde sferoïden, wat kan leiden tot differentiële celreacties. Om uniforme sferoïden te produceren, kunnen cellen worden ingekapseld in microgels en gedurende langere perioden worden gekweekt totdat ze de gel binnendringen en hermodelleren13, of cellen kunnen worden afgezet in sjabloongels met bolvormige 'gaten' en14 kunnen aggregeren. Het nadeel van deze methoden is hun relatieve complexiteit, de noodzaak van een druppelgenerator of andere middelen om microgels of de 'gaten' in de gel te vormen, en de tijd die sferoïden nodig hebben om te groeien en te rijpen. Als alternatief kunnen sferoïden worden voorgevormd in microwells 9,15,16 of in hangende druppelplaten17,18 en vervolgens worden ingekapseld in een hydrogel, vergelijkbaar met de hier beschreven techniek. Deze methoden zijn eenvoudiger en kunnen met een hogere doorvoer worden uitgevoerd. Interessant is dat is aangetoond dat de methode van sferoïde vorming het gedrag van sferoïde cellen kan beïnvloeden, zoals genexpressie, celproliferatie of responsiviteit vangeneesmiddelen19,20.
Hier richten we ons op glioblastoom, omdat het een solide tumor is waarvan de oorspronkelijke omgeving de zachte, nanoporeuze hersenmatrix21 is, die kan worden nagebootst door een zachte, nanoporeuze hydrogel. Glioblastoom is ook de dodelijkste hersenkanker waarvoor geen remedie beschikbaar is. Het hier beschreven protocol kan echter worden gebruikt voor het inkapselen van sferoïden die een solide tumor vertegenwoordigen. We hebben ervoor gekozen om PEG-hydrogels te gebruiken die worden gevormd door een additiereactie van het Michael-type23. PEG is een synthetische, niet-afbreekbare en biocompatibele hydrogel die inert is en dient als steiger en fysieke celondersteuning, maar geen celhechting ondersteunt23. Celadhesie kan afzonderlijk worden toegevoegd via tethering van hele eiwitten of adhesieve liganden24, en afbreekbaarheid kan worden toegevoegd via chemische modificaties van de PEG-polymeerketen of hydrolytisch of enzymatisch afbreekbare crosslinkers 25,26. Hierdoor kunnen biochemische eigenschappen onafhankelijk van mechanische of fysische hydrogeleigenschappen worden afgestemd, wat voordelig zou kunnen zijn bij het bestuderen van cel-matrixinteracties. De geleringschemie van het Michael-type is selectief en vindt plaats onder fysiologische omstandigheden; Daarom maakt het sferoïde inkapseling mogelijk door de sferoïden eenvoudig te mengen met de hydrogel-precursoroplossing.
Over het algemeen heeft de hier gepresenteerde methodologie een aantal opvallende kenmerken. Ten eerste is het vervaardigen van tumorsferoïden in een multiwell-assemblage efficiënt, snel en zijn de kosten van de benodigde materialen laag. Ten tweede worden de sferoïden in grote batches geproduceerd in verschillende maten met een lage polydispersiteit. Ten slotte zijn alleen in de handel verkrijgbare materialen nodig. Het nut van de methodologie wordt geïllustreerd door het effect van substraateigenschappen op de levensvatbaarheid, circulariteit en celstamheid van sferoïde cellen te onderzoeken.