Sử dụng kính hiển vi cộng hưởng từ để nghiên cứu động học phát triển của một khối u thần kinh ở trong collagen loại I: Một nghiên cứu trường hợp

BMC Medical Imaging - 2008
Shuning Huang1, David Vader2, Zhi‐Hui Wang1, Anat Stemmer‐Rachamimov3, David A. Weitz2, Guangping Dai1, Bruce R. Rosen4, Thomas S. Deisboeck4
1Harvard-MIT (HST), Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital, Charlestown, MA 02129, USA
2School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Harvard University, Cambridge, MA, 02138, USA
3Department of Pathology (Neuropathology), Massachusetts General Hospital, Boston, MA, 02114, USA
4Harvard-MIT (HST) Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, USA

Tóm tắt

Tóm tắt Giới thiệu

Các glioma ác tính cao đặc trưng bởi sự phát triển nhanh chóng, xâm lấn mô tại chỗ rộng rãi và kết quả lâm sàng tổng thể kém. Vì vậy, việc có thêm những hiểu biết về sự tương tác phức tạp giữa khối u não này và môi trường vi mô của nó là rất quan trọng. Hiện tại, các phương pháp hình ảnh tiêu chuẩn để nghiên cứu giao diện quan trọng giữa sự phát triển và xâm lấn của khối u in vitro là kính hiển vi ánh sáng và kính hiển vi quang học huỳnh quang. Mặc dù vô cùng hữu ích trong nuôi cấy tế bào, việc tích hợp các phương pháp này với phương pháp hình ảnh lâm sàng mà căn bệnh này chọn lựa, tức là MRI, là một nhiệm vụ không đơn giản. Tuy nhiên, sự tích hợp này là cần thiết, để mô hình hóa tính toán nâng cao có thể sử dụng các dữ liệu in vitro này để cuối cùng dự đoán hành vi phát triển in vivo. Chúng tôi do đó lập luận rằng việc sử dụng cùng một phương pháp hình ảnh cho cả môi trường thí nghiệm và tình huống lâm sàng mà nó đại diện sẽ có giá trị đáng kể từ góc độ tích hợp dữ liệu. Trong nghiên cứu trường hợp này, chúng tôi đã điều tra khả năng sử dụng một dạng cụ thể của MRI, tức là kính hiển vi cộng hưởng từ (MRM), để nghiên cứu động lực mở rộng của một khối u đa bào trong gel collagen loại I.

 Phương pháp

Một khối u đa bào U87mEGFR người glioblastoma (MTS) chứa khoảng 4·103 tế bào đã được tạo ra và pipet vào gel collagen loại I. Mẫu sau đó đã được hình ảnh hóa sử dụng chuỗi xung T2-weighted 3D spoiled gradient echo trên máy quét MRI 14T trong vòng 12 giờ với độ phân giải tạm thời là 3 giờ ở nhiệt độ phòng. Các nghiên cứu mô học tiêu chuẩn đã được thực hiện trên mẫu MRM, cũng như trên các mẫu đối chứng.

 Kết quả

Chúng tôi đã có thể thu được hình ảnh MR ba chiều với độ phân giải không gian là 24 × 24 × 24 μm3. Dữ liệu MRM của chúng tôi đã ghi lại thành công động lực phát triển thể tích của một MTS trong gel collagen loại I trong suốt 12 giờ. Kết quả mô học xác nhận sự sống sót của tế bào trong mẫu MRM, nhưng lại hiển thị các mẫu khác biệt của sự tăng sinh và xâm lấn tế bào so với nhóm đối chứng.

 Kết luận

Trong nghiên cứu này, chúng tôi chứng minh rằng một dạng cụ thể của MRI, tức là kính hiển vi cộng hưởng từ (MRM), có thể được sử dụng để nghiên cứu sự phát triển động của một khối u đa bào (MTS) với độ phân giải không gian ở quy mô tế bào đơn gần đạt đến mức độ của kính hiển vi ánh sáng. Chúng tôi lập luận rằng MRM có thể được sử dụng như một công cụ bổ trợ không xâm lấn để mô tả sự mở rộng vi mô của MTS, và do đó, cùng với mô hình hóa tính toán tích hợp, có thể cho phép việc nối liền quy mô thí nghiệm và lâm sàng dễ dàng hơn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

CBTRUS: Statistical report: Primary brain tumors in the United States statistical report, 1998–2002 (Years Data Collected). The Central Brain Tumor Registry of the United States (CBTRUS);. 2005, –2006

Kaufman LJ, Brangwynne CP, Kasza KE, Filippidi E, Gordon VD, Deisboeck TS, Weitz DA: Glioma expansion in collagen I matrices: analyzing collagen concentration-dependent growth and motility patterns. Biophys J. 2005, 89 (1): 635-650. 10.1529/biophysj.105.061994.

Gordon VD, Valentine MT, Gardel ML, Andor-Ardo D, Dennison S, Bogdanov AA, Weitz DA, Deisboeck TS: Measuring the mechanical stress induced by an expanding multicellular tumor system: a case study. Experimental Cell Research. 2003, 289 (1): 58-66. 10.1016/S0014-4827(03)00256-8.

Deisboeck TS, Berens ME, Kansal AR, Torquato S, Stemmer-Rachamimov AO, Chiocca EA: Pattern of self-organization in tumour systems: complex growth dynamics in a novel brain tumour spheroid model. Cell Proliferation. 2001, 34 (2): 115-134. 10.1046/j.1365-2184.2001.00202.x.

Sander LM, Deisboeck TS: Growth patterns of microscopic brain tumors. Physical Review E. 2002, 66 (5): 051901-10.1103/PhysRevE.66.051901.

Delsanto PP, Guiot C, Degiorgis PG, Condat CA, Mansury Y, Deisboeck TS: Growth model for multicellular tumor spheroids. Applied Physics Letters. 2004, 85 (18): 4425-4227. 10.1063/1.1812842.

Mojsilovic ARB, Gomez J, Deisboeck TS: Analysis, reconstruction and visualization of malignant brain tumors: a case study in data synthesis. Analyt Quant Cytol Histol. 2002, 24: 125-133.

Aguayo JB, Blackband SJ, Schoeniger J, Mattingly MA, Hintermann M: Nuclear magnetic resonance imaging of a single cell. Nature. 1986, 322 (6075): 190-191. 10.1038/322190a0.

Cho ZH, Ahn CB, Juh SC, Lee HK, Jacobs RE, Lee S, Yi JH, Jo JM: Nuclear magnetic resonance microscopy with 4-um resolution: Theoretical study and experimental results. Medical Physics. 1988, 15 (6): 824-10.1118/1.596287.

Johnson GAB, Thompson M, Gewalt SL, Hayes CE: Nuclear magnetic resonance imaging at microscopic resolution. Journal of Magnetic Resonance. 1986, 68 (1): 129-137.

Shuning Huang DV, Weitz David, Gangping Dai , Rosen Bruce, Deisboeck Thomas: Magnetic Resonance Microscopy of a Glioma Spheriod in a Collagen I Matrix. ISMRM 14th SCIENTIFIC MEETING & EXHIBITION: 6–12 May 2006; Seattle, Washington, USA. 2006

Nishikawa R, Ji X, Harmon RC, Lazar CS, Gill GN, Cavenee WK, Huang HS: A Mutant Epidermal Growth Factor Receptor Common in Human Glioma Confers Enhanced Tumorigenicity. PNAS. 1994, 91 (16): 7727-7731. 10.1073/pnas.91.16.7727.

Nagane M, Coufal F, Lin H, Bogler O, Cavenee WK, Huang HJS: A Common Mutant Epidermal Growth Factor Receptor Confers Enhanced Tumorigenicity on Human Glioblastoma Cells by Increasing Proliferation and Reducing Apoptosis. Cancer Res. 1996, 56 (21): 5079-5086.

Kelm NET Jens, Brown Catherine, Fussenegger Martin, Nielsen Lars: Method for generation of homogeneous multicellular tumor spheroids applicable to a wide variety of cell types. Biotechnology and Bioengineering. 2003, 83 (2): 173-180. 10.1002/bit.10655.

Revel D, Brasch RC, Paajanen H, Rosenau W, Grodd W, Engelstad B, Fox P, Winkelhake J: Gd-DTPA contrast enhancement and tissue differentiation in MR imaging of experimental breast carcinoma. Radiology. 1986, 158 (2): 319-323.

Chen G, Jespersen SN, Pedersen M, Pang Q, Horsman MR, Stodkilde-Jorgensen H: Intravenous administration of Gd-DTPA prior to DWI does not affect the apparent diffusion constant. Magnetic Resonance Imaging. 2005, 23 (5): 685-689. 10.1016/j.mri.2005.02.015.

Abramoff MD, Magelhaes PJ, Ram SJ: Image Processing with ImageJ. Biophotonics International. 2004, 11 (7): 36-42.

3D Slicer. [http://www.slicer.org/]

Giese A, Loo MA, Tran N, Haskett D, Coons SW, ME B: Dichotomy of astrocytoma migration and proliferation. Int J Cancer. 1996, 67 (2): 275-282. 10.1002/(SICI)1097-0215(19960717)67:2<275::AID-IJC20>3.0.CO;2-9.

Athale CA, Deisboeck TS: The effects of EGF-receptor density on multiscale tumor growth patterns. Journal of Theoretical Biology. 2006, 238 (4): 771-779. 10.1016/j.jtbi.2005.06.029.

Zhang L, Athale CA, Deisboeck TS: Development of a three-dimensional multiscale agent-based tumor model: Simulating gene-protein interaction profiles, cell phenotypes and multicellular patterns in brain cancer. Journal of Theoretical Biology. 2007, 244 (1): 96-107. 10.1016/j.jtbi.2006.06.034.

Maria Teresa Santini GR, Antonella Ferrante, Paola Indovina, Gianfranco Donelli, Pietro Luigi Indovina: A 50 Hz sinusoidal magnetic field does not damage MG-63 three-dimensional tumor spheroids but induces changes in their invasive properties. Bioelectromagnetics. 2006, 27 (2): 132-141. 10.1002/bem.20184.

Short W, Goodwill L, Taylor C: Alteration of human tumor cell adhesion by high-strength static magnetic fields. Investigative Radiology. 1992, 27: 836-840. 10.1097/00004424-199210000-00014.

Raylman ACC Raymond, Wahl Richard: Exposure to strong static magnetic field slows the growth of human cancer cells in vitro. Bioelectromagnetics. 1996, 17 (5): 358-363. 10.1002/(SICI)1521-186X(1996)17:5<358::AID-BEM2>3.0.CO;2-2.

Brandl MTJ, Kotitschke K, Goldbrunner R, Kerkau S, Haase A: Quantitative NMR microscopy of multicellular tumor spheroids and confrontation cultures. Magnetic Resonance in Medicine. 1995, 34 (4): 596-603. 10.1002/mrm.1910340416.

Helmchen F, Denk W: Deep tissue two-photon microscopy. Nat Meth. 2005, 2 (12): 932-940. 10.1038/nmeth818.

McConnell G: Improving the penetration depth in multiphoton excitation laser scanning microscopy. Journal of Biomedical Optics. 2006, 11 (5): 054020-10.1117/1.2360593.

Raub CB, Suresh V, Krasieva T, Lyubovitsky J, Mih JD, Putnam AJ, Tromberg BJ, George SC: Noninvasive Assessment of Collagen Gel Microstructure and Mechanics Using Multiphoton Microscopy. Biophys J. 2006, biophysj.106.097998.

Nygaard SJT, Tysnes O-B: Quantification of glioma cell invasion by confocal laser scanning microscopy in an in vitro co-culture system. Cancer Letters. 1996, 105 (1): 45-49. 10.1016/0304-3835(96)04261-9.

The Center for the Development of a Virtual Tumor, CViT. [http://www.cvit.org]

Thông tin
Thông tin xuất bản

BMC Medical Imaging

Thông tin tác giả