长期药物治疗的体外3D胶质瘤模型的高分辨率层析成像分析

PDO项目启动后的第2篇文献引读

长期药物治疗的体外3D胶质瘤模型的高分辨率层析成像分析

High-resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastoma tumor model under long-term drug treatment

Mehmet S. Ozturk1,*Vivian K. Lee2,*Hongyan Zou3,4Roland H. Friedel3,4Xavier Intes5, and Guohao Dai2,

摘要

多形性胶质母细胞瘤Glioblastoma multiforme, GBM)是一种致命的脑瘤,通常数月的化疗疗程之后形成耐药。近期,3D GBM模型被开发用于在昂贵的动物研究之前协助药物治疗评估。然而,为了药效的长期评估,还需要GBM组构建的新方法。而且,也有必要开发快速和高敏图像技术来评估这个3D模型及其对药物治疗的响应。在此,我们报道一种整合的平台的开发:(i)它能生成带有灌注血管腔的体外3D GBM模型,实现了长期培养和药物;(ii)具有3D成像模式,从而使研究者非侵入式地对整个体外模型纵向荧光信号进行评估。

主要结果

图1 工作流程概念图。()平台整合:3D肿瘤组织模型2GMFMT(second-generation mesoscopic fluorescence molecular tomography,第二代介观荧光分子层析成像)。整合的平台支持长期组织培养和肿瘤侵袭的纵向评估。生物打印:用树脂玻璃灌注室打印一个包括GBM微球和血管腔的3D组织,用(含或不含药物的)培养基灌注培养。为同时研究肿瘤生长周期和用药方案,通过一个厚树脂玻璃进行纵向成像。非侵入式成像是通过一个透明的树脂玻璃灌注室实现的。用退扫描检测配置(Descanned configuration)可实现对目标的密集采样。每个扫描点(例如p、r和s)代表原始数据中的一个像素。图上展示了一个检测器原始数据作为代表。当光栅扫描结束(扫描点数,s),一个完整框架就完成了。通常,全局扫描完成大约在20s。()用于全部潜在疗法的多模式成像和3D重建。每3-4天用2GMFMT对模型进行成像。与对照显微磁共振成像(μMRI)和激光扫描共聚焦显微技术(LSCM)相比,2GMFMT对于GBM大脑肿瘤的体积评估表现出更优的数据获取时间。WFFM,宽视野荧光显微镜。

 

背景知识:介观荧光分子层析成像(MFMT)是一种新兴的光学分子成像技术,它填补了显微荧光分子成像技术和宏观荧光分子成像技术之间的空白。相对于宏观荧光分子成像技术,MFMT能提供更高的分辨率,对于显微荧光分子成像技术,MFMT的成像深度更深

图2 不同情况下的GBM细胞的药物反应A-D)二维单层(A-B)和三维悬浮微球培养物(C-D)中GBM细胞的肿瘤细胞代谢活动阿尔玛蓝(Alamar Blue)检测结果,相位差叠加的荧光图片。E)治疗前后GBM细胞的侵袭行为。包埋于微球中的SD02细胞向周围基质胶侵袭更强(第26天),在药物治疗(14天)后,肿瘤核心开始恢复继而收缩。然而,某些GBM细胞治疗后存活下来,并重新开始活跃地侵袭,即使继续治疗(31天)。上方照片(B, D和E)通过WFFM拍照获得。EC,内皮细胞。
 

 

图3 成像系统绘制的图像和敏感性表征A)用树胶玻璃样本固定器来描述2GMFMT系统。激发光和发射光用共同的光路可以使光线和检测器阵列(需要数据收集的退扫描模式,例如相机)的光栅扫描对齐。EMCCD,电子倍增电荷耦合装置。B在置于样本固定器之前的微球宽视野图片。微球是分开的,d=175 μm。比例尺:200 μm。C-D)分别为LSCM和2GMFMT的x-y最大强度投影。EμMRI图像的x-z界面。用已知微球的直径和深度生成一个表面真实图像(ground truth image,F)。μMRI(G)、LSCM(H)和2GMFMT(I)之间的比较。体积误差和球状的性能标准表明2GMFMT总体上比其对照具有更好的表现。J)该表展示了体积误差和球状特性的具体比较。
 
图4 GBM脑瘤的纵向强度评估(肿瘤 ID: 1)A)用WFFM描绘细胞侵袭。B)2GMFMT来源的落射荧光相当的原始数据显示出肿瘤细胞中弥散的强信号。50%最大强度等值线(黑色)展示了侵袭面积。所有数据点的核心区域C)和侵袭区域(D)数值与代表性数据点的描绘性展示。特别地,不同方式之间的侵袭区域有相同的趋势。(E)初始阶段(第26天)和恢复阶段(在第27天TMZ治疗)的WFFM和MFMT的二维图片中分段的核心区域。(F初始阶段(第26天)和恢复阶段(在第27天TMZ治疗)的WFFM和MFMT的二维图片中分段的侵袭区域。比例尺:500 μm。
 
图5 GBM脑瘤的纵向体积评估。用LSCM和2GMFMT比较分析展示GBM肿瘤1的纵向体积(A-B)。μMRI提供了胶原结构,被用来作为共配准标记。LSCM和2GMFMT中,由内皮细胞形成的血管结构显示为绿色,GBM为红色。CLSCM和2GMFMT在的体积变化趋势(变化率不同)上具有相似性。D2GMFMT和WFFM的最大强度投影,并与LSCM图片比较。比例尺,1 mm。

结论

本研究中,这个整合的平台提供了用于评估肿瘤块体积变有效的期无损害技术的体外模型系统,因而,与此前的体外方法相比,在不同生理条件下的治疗方案评估上表现大的潜力。第二代体外模型,与敏感性多模式分子成像技术的协同作用,可能会更好理解和表征GBM学,指导新型疗法的开发,并提供治疗功效的分析性预测指标

更多内容请下载原文查阅https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/10/eaay7513.full.pdf

为了创建3-D肿瘤细胞模型,作者采集了患者来源的大脑肿瘤细胞,并将其与血管一起打印出来。这种打印手段使得细胞得以在体外存活和成熟,使研究人员能够在长达几个月的时间内对其进行研究。3D打印大脑血管还为癌症的治疗提供了通道。在人体中,由于血脑屏障能够阻止大多数物质到达大脑区域,因此向胶质母细胞瘤细胞的输送药物特别困难。在这项研究中,基于3D打印的大脑肿瘤模型,作者能够将化疗药物替莫唑胺成功地运输到肿瘤组织内部。与直接将疗法注射到细胞中相比,该方法可以更准确地评估药物的有效性

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