A. Przygotowanie komórek nowotworowych przed operacją
- Przeprowadź transdukcję komórek glejaka wielopostaciowego U251 przy użyciu lentiwirusego wektora ekspresyjnego (pGreenFire, System Biosciences) w celu stabilnej ekspresji genu lucyferazy świetlikowej.
- Komórki te hodowano w 10 ml kompletnej pożywki Dulbecco's Modification of Eagle's medium (DMEM), składającej się z DMEM uzupełnionej o 10% płodowej surowicy cielęcej, 1% penicyliny-streptomycyny oraz 1% nieessentialnych aminokwasów, w kolbie do hodowli tkanek T75 w inkubatorze przy 5% C02 i 37 °C.
- Przeprowadź standardową procedurę hodowli komórkowej, zaczynając od przemycia komórek solą fizjologiczną z buforem fosforanowym (PBS), a następnie przeprowadź trypsynizację.
- Zneutralizuj trypsynę za pomocą kompletnej pożywki DMEM, przenieś zawiesinę do stożkowej probówki 50 ml i określ stężenie komórek za pomocą licznika Coulter Counter.
- Odwirowuj zebrane komórki w kompletnej pożywce DMEM przez 3 min przy prędkości około 3 000 obrotów na minutę.
- Po wirowaniu odessaj pożywkę, pozostawiając jedynie pellet komórek na dnie stożkowej probówki 50 ml.
- Działając szybko, aby zapobiec wyschnięciu komórek, resuspenduj je w objętości świeżej kompletnej pożywki DMEM, aby uzyskać pożądane stężenie 50 000 cells/μl, a następnie przenieś do sterylnej fiolki 2 ml umieszczonej w lodzie.
- Komórki w lodzie należy krótko mieszać na wortexie przy niskich obrotach co około 20 min, aby zapobiec ich adhezji. Komórki można bezpiecznie wykorzystać do implantacji wewnątrzczaszkowych do dwóch godzin od umieszczenia w lodzie.
B. Ortotopowa implantacja ksenoprzeszczepu
- Zważ mysz naga atymiczna NCr (nu/nu), aby ustalić wyjściową masę ciała przed implantacją. Zazwyczaj wybieramy myszy w wieku 6–10 tygodni o masie od 17 do 24 g.
- Na 1 h przed implantacją podaj myszy lek przeciwzapalny niesteroidowy meloksykam w dawce 5 mg/kg drogą podskórną w celu łagodzenia bólu i stanu zapalnego po operacji.
- Zanurz zwierzę w narkozie poprzez podanie dootrzewnowe mieszaniny ketaminy i ksylazyny w dawkach odpowiednio 140 mg/kg i 10 mg/kg.
- Potwierdź wystarczający poziom znieczulenia myszy, oceniając jej odruchową reakcję na uciśnięcie palca u stopy. Jeśli zwierzę reaguje na uciśnięcie, odrocz procedurę do czasu zadziałania anestetyku lub rozważ podanie dodatkowej dawki znieczulenia (<25% dawki pierwotnej).
- Przygotuj znieczuloną mysz do umieszczenia w stereotaktycznej platformie Stoelting Digital Just for Mouse (Stoelting Inc.), mocując siekacze myszy w rynience uchwytu pyska i dokręcając zacisk na pysku, upewniając się jednocześnie, że głowa myszy znajduje się w płaszczyźnie poziomej.
- Przenieś unieruchomioną mysz na platformę stereotaktyczną Stoelting, dostosowując położenie zwierzęcia tak, aby końcówki prętów usznych znajdowały się w tylnej części kanału słuchowego. Po ustawieniu zwierzęcia w osi głowowej-ogonowej zamocuj rynienkę do ramy stereotaktycznej. Mysz powinna spoczywać na sztywnej plastikowej płytce grzewczej (Harvard Apparatus) przymocowanej taśmą do platformy Stoelting, aby zapewnić regulację temperatury z pętlą sprzężenia zwrotnego podczas operacji.
- W razie potrzeby dostosuj wysokość prętów usznych, a następnie wprowadź je do tylnej części kanału słuchowego, mocując je tak, aby głowa myszy była w płaszczyźnie poziomej i nie przemieszczała się przy dotknięciu palcem. Po umieszczeniu prętów usznych uważnie monitoruj objawy niewydolności oddechowej. W przypadku wystąpienia duszności poluzuj i ponownie ustaw pręty.
- Wprowadź nasmarowaną końcówkę rektalnej sondy temperatury podłączonej do kontrolera temperatury TCAT-2DF (Harvard Apparatus), aby monitorować temperaturę zwierzęcia i sterować płytką grzewczą umieszczoną pod myszą, utrzymując temperaturę ciała zwierzęcia na poziomie 36 °C podczas procedury.
- Nałóż maść oftalmiczną na oczy, aby zapobiec ich wysychaniu.
- Nałóż roztwór betadyny na górną część głowy myszy w celu zdezynfekowania miejsca nacięcia, uważając, aby nie dopuścić do kontaktu z oczami.
- Wykonaj uciśnięcie palca u stopy, aby potwierdzić utratę przytomności myszy; w razie potrzeby podaj niewielką ilość dodatkowej ketaminy/ksylazyny (<25% dawki początkowej).
- Oczyść wiertło z wiertłem kulistym 0,45 mm (Stoelting) zamontowane w wiertarce (Foredom Microdrill) za pomocą gazika z alkoholem, a następnie wysterylizuj wiertło w sterylizatorze koralikowym (Germinator 500, CellPoint Scientific) przez 15 s, zanurzając w koralikach tylko końcówkę wiertła.
- Za pomocą sterylnego skalpela wykonaj nacięcie o długości 0,75 cm wzdłuż środkowej części skóry czaszki, rozciągając je od poziomu oczu w kierunku ogonowym. Potwierdź widoczność bregmy.
- Zamocuj uchwyt wiertarki do platformy Stoelting i umieść w nim wiertarkę (Foredom Microdrill) z wiertłem kulistym 0,45 mm (Stoelting), zabezpieczając ją w pozycji roboczej.
- Ustaw wiertło dokładnie nad bregmą, a następnie wyzeruj współrzędne x, y, z na cyfrowym wyświetlaczu stereotaktycznym. Przesuń końcówkę wiertła w pozycję 2 mm tylnie i 1,5 mm bocznie od bregmy w prawej półkuli mózgu i wywierć otwór w czaszce zwierzęcia wiertarką Foredom, przebijając wyłącznie kość. Do delikatnego odsunięcia brzegów nacięcia w celu ułatwienia wizualizacji czaszki można użyć sterylnego tamponu bawełnianego.
- Zdejmij wiertarkę i uchwyt z platformy stereotaktycznej.
- Zamocuj pompę strzykawkową Nanomite (Harvard Apparatus) do platformy stereotaktycznej.
- Wyjmij komórki z lodu i delikatnie wymieszaj zawartość probówki z komórkami nowotworowymi za pomocą krótkich impulsów wirówki lub delikatnie stuknij w probówkę, aby resuspendować komórki. Pobierz 7 μl zawiesiny komórkowej przez igłę 30G o długości 1" z płaskim ścięciem, zamocowaną do strzykawki 10 μl (Hamilton Syringe). Unikaj dużych pęcherzyków powietrza w strzykawce. Upewnij się, że w początkowych 6 μl cieczy, które będą całkowitą objętością wstrzykniętą myszy, nie ma pęcherzyków powietrza. Małe pęcherzyki powietrza w pozostałym 1 μl nie stanowią problemu. Jeśli to możliwe, unikaj wielokrotnego pobierania zawiesiny komórkowej, aby zminimalizować uszkodzenia komórek.
- Umieść napełnioną strzykawkę w iniektorze. Za pomocą gazika z alkoholem usuń resztki zawiesiny komórkowej z końcówki igły, aby zapobiec zanieczyszczeniu miejsca nacięcia komórkami nowotworowymi, co mogłoby doprowadzić do wzrostu guza w przestrzeni poza czaszką.
- Ustaw pompę iniektora na podanie 6,0 μl z prędkością 0,5 μl/min. Pozostawienie 1 μl zawiesiny komórkowej w strzykawce po implantacji gwarantuje, że pęcherzyki powietrza, które często gromadzą się w strzykawce, nie zostaną wstrzyknięte do zwierzęcia. Wstrzyknięcie pęcherzyków powietrza mogłoby spowodować śmiertelną zatorowość powietrzną.
- Wprowadź igłę strzykawki do otworu wiertniczego, utrzymując igłę prostopadle (90 stopni) do czaszki. Po przebiciu czaszki wyzeruj współrzędne na cyfrowym wyświetlaczu stereotaktycznym, a następnie powoli przesuwaj końcówkę igły przez okres 4 min, aż osiągnie głębokość 2,5 mm. Igła przechodzi przez korę i części tylnego hipokampa. Współrzędne x, y, z dla implantacji stereotaktycznej wybrano tak, aby wygenerować guz położony bocznie w obrębie półkuli mózgu, unikając jednocześnie uszkodzenia krytycznych struktur mózgu, takich jak wzgórze, oraz bliskości komór, co zmniejsza prawdopodobieństwo zasiewu komórek nowotworowych do płynu mózgowo-rdzeniowego, co mogłoby prowadzić do niepożądanych guzów kręgosłupa. Wybrano lokalizację tylną względem bregmy, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo owrzodzenia dużego, miejscowo zaawansowanego guza w obrębie oczodołu. Pozostaw igłę na tej głębokości przez 2 min, a następnie rozpocznij implantację komórek.
- Podczas implantacji wielokrotnie osuszaj czaszkę za pomocą mikrosurgicalnego gąbkowego aplikatora, aby usunąć wszelkie ciecze zawierające komórki nowotworowe, które mogły wypłynąć z otworu wiertniczego podczas zabiegu. Unikaj przesuwania igły gąbką. Usunięcie tej cieczy powinno zmniejszyć prawdopodobieństwo wzrostu guza w przestrzeni poza czaszką.
- Po zakończeniu iniekcji pozostaw igłę w mózgu przez około 2 min, a następnie powoli wycofaj ją w czasie od 3 do 4 min.
- Poluzuj pręty uszne i uchwyt pyska, a następnie zdejmij mysz z aparatu stereotaktycznego.
- Zamknij otwór wiertniczy w czaszce za pomocą sterylnego wosku kostnego, wcierając go w otwór drewnianym końcem sterylnego aplikatora z bawełnianą końcówką. Nakładaj wosk kostny do czasu całkowitego uszczelnienia otworu, tak aby powierzchnia wosku była zrównana z sąsiednią częścią czaszki.
- Zbliż brzegi nacięcia za pomocą sterylnych tamponów bawełnianych i nałóż weterynaryjny klej tkankowy, aby zamknąć ranę, dbając o to, by klej nie dostał się do oczu zwierzęcia.
- Na koniec umieść mysz na macie grzewczej ustawionej na 37 °C, aż zwierzę odzyska przytomność. Przenieś zwierzę z powrotem do oryginalnej klatki, gdy mysz będzie czujna i będzie reagować na bodźce.
C. Obrazowanie bioluminescencyjne (BLI) w celu monitorowania wzrostu guza i odpowiedzi na terapię
Poniżej znajdują się zwięzłe instrukcje dotyczące obrazowania bioluminescencyjnego.
- Myszy z uprzednio zaimplantowanymi guzami znieczulić w komorze z użyciem 2% izofluranu i tlenu.
- Podczas znieczulenia myszy wstrzyknąć im podskórnie lub doszpikowo 60 μl soli potasowej D-lucyferyny rozcieńczonej w PBS do stężenia 50 mg/ml.
- Włączyć przepływ środka znieczulającego do stożków nosowych w skanerze do obrazowania bioluminescencyjnego i szybko przenieść myszy do skanera, umieszczając ich pyszczki w stożkach nosowych.
- Umieścić czarne przegrody między myszami, aby ograniczyć przenikanie sygnału bioluminescencyjnego z guza o wysokiej intensywności sygnału do sąsiedniego guza o znacznie niższym sygnale.
- Za pomocą oprogramowania Living Image wykonać częste naświetlania seryjne przez łączny czas do 30 min od momentu wstrzyknięcia D-lucyferyny. Zaleca się ustawienie czasu naświetlania na „Auto”, aby zminimalizować ryzyko niedoświetlenia lub prześwietlenia obrazu. Żadne pojedyncze naświetlanie nie powinno trwać >5 min.
- Powtarzać obrazowanie bioluminescencyjne w odpowiednich odstępach czasu. Seryjne obrazowanie cotygodniowe jest odpowiednim rozwiązaniem dla wielu eksperymentów podłużnych badających odpowiedź na leczenie.
- Po uzyskaniu obrazów użyć programu Living Image do analizy guzów poprzez wyznaczenie obszaru zainteresowania (ROI) wokół każdego guza na każdym obrazie pozyskanym podczas sesji obrazowania bioluminescencyjnego. Na każdym obrazie wyznaczyć drugi, mniejszy obszar zainteresowania w dolnej części boku każdej myszy jako obszar tła, aby skorygować sygnał bioluminescencyjny guza w zależności od stopnia intensywności sygnału tła. Preferujemy ustawienie „Radiance” zamiast „Counts” jako wartości wyjściowe dla sygnału bioluminescencyjnego.
- Wyeksportować wyniki ROI do programu Excel i wyznaczyć maksymalny sygnał bioluminescencyjny skorygowany o tło dla każdej myszy.
- Powtarzać obrazowanie bioluminescencyjne zgodnie z protokołem w celu seryjnego monitorowania wzrostu guza. W naszych eksperymentach wykonujemy BLI co tydzień. Preferujemy wyznaczanie maksymalnego sygnału BLI dla danej sesji obrazowania poprzez wykonywanie częstych naświetlań w czasie od 5 do 30 min po wstrzyknięciu D-lucyferyny.
D. Reprezentatywne wyniki
Ta technika implantacji stereotaktycznej wiąże się ze skutecznością przyjęcia guza na poziomie 90-100% oraz niską śmiertelnością okołoperacyjną, która zazwyczaj wynosi mniej niż 5%. Ryzyko niezamierzonych skutków ubocznych przy zastosowaniu tej techniki jest również niskie, w tym takie powikłania jak rozsiew komórek nowotworowych do rdzenia kręgowego z guzów wszczepionych do komór mózgu lub pozaczaszkowy wzrost guza wynikający z rozsiewu komórek nowotworowych w miejscu nacięcia bądź z niewłaściwego zamknięcia otworu trepanacyjnego, co umożliwia ekspansję guza wewnątrzczaszkowego przez otwór w czaszce.
Ex vivo analiza ksenoprzeszczepów nowotworowych wykazała spodziewane obszary niedotlenienia, zwiększoną ekspresję VEGF oraz martwicę. Mikroskopia fluorescencyjna w kierunku zielonego białka fluorescencyjnego (GFP) stabilnie ekspresowanego przez naszą linię komórkową GBM ujawniła naciekający charakter tych ksenoprzeszczepów.
Rysunek 1 przedstawia wyniki typowej, udanej implantacji stereotaktycznej komórek GBM do mózgu myszy. Jest to obraz MRI mózgu myszy w obrazowaniu T2, wykonany przy użyciu magnesu 9,4 Tesla 21 dni po implantacji metodą opisaną w niniejszym protokole. Rysunek 1 ukazuje pojedyncze ognisko guza w prawej półkuli (obrysowane na różowo) o objętości 19 mm3, zlokalizowane dokładnie w koordynatach miejsca implantacji.
Rysunek 2 przedstawia wyniki obrazowania bioluminescencyjnego z wykorzystaniem opisanych tutaj technik dla grupy 10 myszy z guzami wszczepionymi stereotaktycznie, które zostały równomiernie podzielone na podstawie maksymalnej intensywności sygnału bioluminescencyjnego w celu otrzymania naświetlania czaszkowego (4 Gy x 4 frakcje dziennie) lub braku leczenia. W tym eksperymencie obrazowanie bioluminescencyjne wykazuje, że radioterapia hamuje proliferację wszczepionych guzów, co skutkuje brakiem wzrostu wykrytego sygnału bioluminescencyjnego, podczas gdy sygnał znacznie wzrasta w kontrolnych guzach poddanych pozornej irradiacji z powodu niekontrolowanej proliferacji komórek nowotworowych.
Rycina 1 (Wideo). Koronalne przekroje MRI mózgu myszy zawierającego guz glejaka wielopostaciowego U251 z wyznaczeniem konturu objętości guza (na różowo). Skanowanie przeprowadzono przy użyciu protokołu T2-zależnego echa spinowego na skanerze 9.4 Tesla. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.

Rysunek 2. 10 myszy z stereotaktycznie wszczepionymi guzami wielopostaciowego glejaka otrzymało albo zewnętrzną radioterapię wiązką do dawki 16 Gy w 4 frakcjach, albo nie otrzymało żadnego leczenia. Obrazowanie bioluminescencyjne myszy wykonano przed rozpoczęciem leczenia oraz w odstępach tygodniowych po jego rozpoczęciu. Wykres przedstawia względną bioluminescencję obliczoną jako medianową krotność zmiany, gdzie krotność zmiany definiuje się jako stosunek aktualnej maksymalnej wartości BLI do maksymalnej wartości BLI sprzed leczenia.