Giàn Giáo Sinh Học Để Phân Tích 3D Về Sự Phát Triển Và Xâm Lấn Của Glioblastoma

Springer Science and Business Media LLC - Tập 43 - Trang 1965-1977 - 2014
John M. Heffernan1,2, Derek J. Overstreet1, Long D. Le2, Brent L. Vernon2, Rachael W. Sirianni1,2
1Barrow Brain Tumor Research Center, Barrow Neurological Institute, Phoenix, USA
2School of Biological and Health Systems Engineering, Arizona State University, Tempe, USA

Tóm tắt

Sự xâm lấn của các tế bào glioblastoma ác tính (GBM) vào não khỏe mạnh là nguyên nhân chính gây tái phát khối u và các bệnh lý liên quan. Trong bài viết này, chúng tôi mô tả một phương pháp có khả năng cao để đo lường định lượng sự phát triển và xâm lấn của GBM trong nuôi cấy ba chiều (3D). Các hydrogels trong suốt về mặt quang học được tạo thành từ axit hyaluronic thiol hóa và gelatin đã được liên kết hóa học bằng các polyme poly(ethylene glycol) phản ứng với thiol để tạo thành một môi trường vi mô khối u 3D nhân tạo. Việc đặc trưng hóa độ nhớt và độ ổn định trong nước cho thấy các hydrogels có thể điều chỉnh cơ học với độ cứng dao động từ 18 Pa đến 18,2 kPa và có khả năng kháng thủy phân ít nhất trong 30 ngày. Sự phát triển, phân tán và xâm lấn tiếp theo của các spheroid GBM U118 và U87R được nuôi cấy trên các hydrogels đã được theo dõi tại chỗ bằng hình ảnh huỳnh quang vi cấu hình lặp lại. Sử dụng xử lý hình ảnh tự động tùy chỉnh, các tế bào được xác định và định lượng qua 500 µm gel trong vòng 14 ngày. Hành vi phát triển và xâm lấn được quan sát tùy thuộc vào loại tế bào, độ cứng của gel và sự sẵn có của yếu tố tăng trưởng tế bào gan. Những phép đo này làm nổi bật tính hữu dụng của nền tảng này trong việc thực hiện phân tích hình ảnh định lượng, huỳnh quang về hành vi của các tế bào ác tính trong một môi trường vi mô khối u 3D nhân tạo.

Từ khóa

#glioblastoma #phát triển #xâm lấn #vi mô khối u 3D #hydrogels #sinh học phân tử

Tài liệu tham khảo

Akiyama, Y., S. Jung, B. Salhia, S. Lee, S. Hubbard, M. Taylor, T. Mainprize, K. Akaishi, W. van Furth, and J. T. Rutka. Hyaluronate receptors mediating glioma cell migration and proliferation. J. Neurooncol. 53:115–127, 2001.

Ananthanarayanan, B., Y. Kim, and S. Kumar. Elucidating the mechanobiology of malignant brain tumors using a brain matrix-mimetic hyaluronic acid hydrogel platform. Biomaterials 32:7913–7923, 2011.

Ariza, A., D. López, J. L. Mate, M. Isamat, E. Musulen, M. Pujol, A. Ley, and J. Navas-palacios. Role of CD44 in the invasiveness of glioblastoma multiforme and the noninvasiveness of meningioma: an immunohistochemistry study. Hum. Pathol. 26:1144–1147, 1995.

Baker, B. M., and C. S. Chen. Deconstructing the third dimension–how 3D culture microenvironments alter cellular cues. J. Cell Sci. 125:3015–3024, 2012.

Beadle, C., M. C. Assanah, P. Monzo, R. Vallee, S. S. Rosenfeld, and P. Canoll. The role of myosin II in glioma invasion of the brain. Mol. Biol. Cell 19:3357–3368, 2008.

Bellail, A. C., S. B. Hunter, D. J. Brat, C. Tan, and E. G. Van Meir. Microregional extracellular matrix heterogeneity in brain modulates glioma cell invasion. Int. J. Biochem. Cell Biol. 36:1046–1069, 2004.

Beucher, S. The watershed transformation applied to image segmentation. Scanning Microsc.-Suppl. 6, 299–314, 1992.

Bullard, D. E., S. C. Schold, Jr, S. H. Bigner, and D. D. Bigner. Growth and chemotherapeutic response in athymic mice of tumors arising from human glioma-derived cell lines. J. Neuropathol. Exp. Neurol. 40:410–427, 1981.

Cheng, K., A. Blusztajn, D. Shen, T. S. Li, B. Sun, G. Galang, T. I. Zarembinski, G. D. Prestwich, E. Marbán, and R. R. Smith. Functional performance of human cardiosphere-derived cells delivered in an in situ polymerizable hyaluronan-gelatin hydrogel. Biomaterials 33:5317–5324, 2012.

Del Duca, D., T. Werbowetski, and R. F. Del Maestro. Spheroid preparation from hanging drops: characterization of a model of brain tumor invasion. J. Neurooncol. 67:295–303, 2004.

Delpech, B., C. Maingonnat, N. Girard, C. Chauzy, A. Olivier, R. Maunoury, J. Tayot, and P. Creissard. Hyaluronan and hyaluronectin in the extracellular matrix of human brain tumour stroma. Eur. J. Cancer 29:1012–1017, 1993.

Discher, D. E., P. Janmey, and Y. Wang. Tissue Cells Feel and Respond to the Stiffness of Their Substrate. Science 310:1139–1143, 2005.

Elbert, D. L., and J. A. Hubbell. Conjugate addition reactions combined with free-radical cross-linking for the design of materials for tissue engineering. Biomacromolecules 2:430–441, 2001.

Ellman, G. L. Tissue sulfhydryl groups. Arch. Biochem. Biophys. 82:70–77, 1959.

Florczyk, S. J., K. Wang, S. Jana, D. L. Wood, S. K. Sytsma, J. G. Sham, F. M. Kievit, and M. Zhang. Porous chitosan-hyaluronic acid scaffolds as a mimic of glioblastoma microenvironment ECM. Biomaterials 34:10143–10150, 2013.

Friedl, P., and K. Wolf. Tumour-cell invasion and migration: diversity and escape mechanisms. Nat. Rev. Cancer 3:362–374, 2003.

Giese, A., M. E. Berens, and M. Westphal. Cost of Migration: Invasion of Malignant Gliomas and Implications for Treatment. J. Clin. Oncol. 21:1624–1636, 2003.

Giese, A., and M. Westphal. Glioma invasion in the central nervous system. Neurosurgery 39:235–252, 1996.

Gurski, L. A., A. K. Jha, C. Zhang, X. Jia, and M. C. Farach-Carson. Hyaluronic acid-based hydrogels as 3D matrices for in vitro evaluation of chemotherapeutic drugs using poorly adherent prostate cancer cells. Biomaterials 30:6076–6085, 2009.

Guzman, A., M. J. Ziperstein, and L. J. Kaufman. The effect of fibrillar matrix architecture on tumor cell invasion of physically challenging environments. Biomaterials 35:6954–6963, 2014.

Hubbell, J. A. Biomaterials in Tissue Engineering. Nat. Biotech 13:565–576, 1995.

Jiglaire Jiguet. C., N. Baeza-Kallee, E. Denicolaï, D. Barets, P. Metellus, L. Padovani, O. Chinot, D. Figarella-Branger, and C. Fernandez. Ex vivo cultures of glioblastoma in three-dimensional hydrogel maintain the original tumor growth behavior and are suitable for preclinical drug and radiation sensitivity screening. Exp. Cell Res. 321:99–108, 2014.

Johnston, A. L., X. Lun, J. J. Rahn, A. Liacini, L. Wang, M. G. Hamilton, I. F. Parney, B. L. Hempstead, S. M. Robbins, and P. A. Forsyth. The p75 neurotrophin receptor is a central regulator of glioma invasion. PLoS Biol. 5:e212, 2007.

Kenny, P. A., G. Y. Lee, C. A. Myers, R. M. Neve, J. R. Semeiks, P. T. Spellman, K. Lorenz, E. H. Lee, M. H. Barcellos-Hoff, and O. W. Petersen. The morphologies of breast cancer cell lines in three-dimensional assays correlate with their profiles of gene expression. Mol. Oncol. 1:84–96, 2007.

Kim, J. B., R. Stein, and M. J. O’Hare. Three-dimensional in vitro tissue culture models of breast cancer—a review. Breast Cancer Res. Treat. 85:281–291, 2004.

Lawyer, T., K. McIntosh, C. Clavijo, L. Potekhina, and B. K. Mann. Formulation Changes Affect Material Properties and Cell Behavior in HA-Based Hydrogels. Int. J. Cell Biol. 1–9:2012, 2012.

Leach, J. B., and C. E. Schmidt. Characterization of protein release from photocrosslinkable hyaluronic acid-polyethylene glycol hydrogel tissue engineering scaffolds. Biomaterials 26:125–135, 2005.

Lefranc, F., J. Brotchi, and R. Kiss. Possible future issues in the treatment of glioblastomas: special emphasis on cell migration and the resistance of migrating glioblastoma cells to apoptosis. J. Clin. Oncol. 23:2411–2422, 2005.

Merzak, A., S. Koocheckpour, and G. J. Pilkington. CD44 mediates human glioma cell adhesion and invasion in vitro. Cancer Res. 54:3988–3992, 1994.

Morpurgo, M., F. M. Veronese, D. Kachensky, and J. M. Harris. Preparation and characterization of poly (ethylene glycol) vinyl sulfone. Bioconjug. Chem. 7:363–368, 1996.

Nakada, M., S. Nakada, T. Demuth, N. L. Tran, D. B. Hoelzinger, and M. E. Berens. Molecular targets of glioma invasion. Cell. Mol. Life Sci. 64:458–478, 2007.

Pedron, S., E. Becka, and B. A. C. Harley. Regulation of glioma cell phenotype in 3D matrices by hyaluronic acid. Biomaterials 34:7408–7417, 2013.

Pedron, S., and B. A. C. Harley. Impact of the biophysical features of a 3D gelatin microenvironment on glioblastoma malignancy. J. Biomed. Mater. Res. A 101:3404–3415, 2013.

Petrecca, K., M.-C. Guiot, V. Panet-Raymond, and L. Souhami. Failure pattern following complete resection plus radiotherapy and temozolomide is at the resection margin in patients with glioblastoma. J. Neurooncol. 111:19–23, 2012.

Ponten, J., and E. Macintyre. Long term culture of normal and neoplastic human glia. Acta Pathol. Microbiol. Scand. 74:465–486, 1968.

Rao, S. S., J. DeJesus, A. R. Short, J. J. Otero, A. Sarkar, and J. O. Winter. Glioblastoma Behaviors in Three-Dimensional Collagen-Hyaluronan Composite Hydrogels. ACS Appl. Mater. Interfaces 5:9276–9284, 2013.

Shu, X. Z., Y. Liu, F. Palumbo, and G. D. Prestwich. Disulfide-crosslinked hyaluronan-gelatin hydrogel films: a covalent mimic of the extracellular matrix for in vitro cell growth. Biomaterials 24:3825–3834, 2003.

Stupp, R., W. P. Mason, M. J. Van Den Bent, M. Weller, B. Fisher, M. J. Taphoorn, K. Belanger, A. A. Brandes, C. Marosi, and U. Bogdahn. Radiotherapy plus concomitant and adjuvant temozolomide for glioblastoma. N. Engl. J. Med. 352:987–996, 2005.

Ulrich, T. A., and E. M. de Juan. Pardo, and S. Kumar. The Mechanical Rigidity of the Extracellular Matrix Regulates the Structure, Motility, and Proliferation of Glioma Cells. Cancer Res. 69:4167–4174, 2009.

Vercruysse, K. P., D. M. Marecak, J. F. Marecek, and G. D. Prestwich. Synthesis and in vitro degradation of new polyvalent hydrazide cross-linked hydrogels of hyaluronic acid. Bioconjug. Chem. 8:686–694, 1997.

Yang, Y., S. Motte, and L. J. Kaufman. Pore size variable type I collagen gels and their interaction with glioma cells. Biomaterials 31:5678–5688, 2010.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 43

1965-1977

Thông tin tác giả