Anvendelse af en lineær accelerator til udførelse in vitro radiobiologi eksperimenter
Summary
Kliniske lineære acceleratorer kan anvendes til at bestemme biologiske virkninger af en bred vifte af dosishastigheder på cancerceller. Vi diskuterer, hvordan man oprette en lineær accelerator for celle-baserede assays og assays for kræft stamceller, der dyrkes som tumorspheres i suspension og cellelinjer dyrket som overtrædende kulturer.
Abstract
Strålebehandling er fortsat en af hjørnestenene i kræftbehandling. For de fleste kræftformer, det er den mest effektive, ikke-kirurgisk behandling til debulk tumorer. Her beskriver vi en metode til at irradiere kræftceller med en lineær accelerator. Udviklingen af lineær accelerator teknologi har forbedret præcisionen og effektiviteten af strålebehandling. De biologiske virkninger af en lang række strålingsdoser og dosishastigheder er fortsat et intenst undersøgelsesområde. Brug af lineære acceleratorer kan lette disse studier ved hjælp af klinisk relevante doser og dosishastigheder.
Introduction
Strålebehandling er en effektiv behandling for mange typer af kræft1,2,3,4. Ekstra høj dosishastighed bestråling er relativt nyt i strålebehandling og er muliggjort af de seneste teknologiske fremskridt i lineære acceleratorer5. De kliniske fordele ved en ekstra høj dosishastighed på bestråling med standard dosishastighed omfatter kortere behandlingstid og forbedret patientoplevelse. Lineære acceleratorer giver også en klinisk indstilling for cellekultur baseret stråling biologi undersøgelser. De biologiske og terapeutiske konsekvenser af strålingsdosis og dosis satser har været et fokus af interesse for stråling onkologer og biologer i årtier6,7,8. Men radiobiologi af ekstra høj dosis sats bestråling og flash bestråling-en ekstremt høj dosishastighed af stråling-er endnu ikke grundigt undersøgt.
Gamma stråle bestråling er meget udbredt i cellekultur baseret stråling biologi9,10,11. Stråling opnås ved gammastråler, der udsendes fra rådnende radioaktive isotop kilder, typisk cæsium-137. Anvendelse af radioaktive kilder er meget reguleret og ofte begrænset. Med kilde baseret bestråling er det udfordrende at teste en bred vifte af dosishastigheder, hvilket begrænser dets anvendelighed i analysen af de biologiske virkninger af klinisk opnåelige dosishastigheder12.
Der har været flere undersøgelser, der illustrerer både dosis og dosis sats effekter12,13,14,15,16,17. I disse undersøgelser blev der anvendt både gammabestråling fra radioaktive isotoper eller røntgenstråler genereret af lineære acceleratorer. En række cellelinjer, der repræsenterer lungekræft, livmoderhalskræft, glioblastoma, og melanom blev brugt. Strålingsvirkninger på celle overlevelse, celle cyklus anholdelse, apoptose og DNA-skader blev evalueret som udlæsninger12,13,14,15,16,17 . Her beskriver vi en metode til at definere de biologiske virkninger af klinisk relevant strålingsdosis og dosishastigheder ved at levere røntgenbaseret stråling ved hjælp af en lineær accelerator. Disse undersøgelser bør udføres med tæt samarbejde mellem biolog, stråling onkolog og medicinsk fysiker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Strålebehandling er en integreret del af kræftbehandling. Igangværende bestræbelser søger at forbedre effektiviteten og effektiviteten af strålebehandling. Fremskridt inden for lineær accelerator teknologi har givet mulighed for at behandle patienter med hidtil uset nøjagtighed og sikkerhed. Da de fleste patienter behandles med røntgenstråler af høj energi fra lineære acceleratorer, kan undersøgelser, der undersøger de biologiske virkninger af et stort udvalg af dosishastigheder, der udføres på lineære a…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Cleveland Clinic Department of Radiation Oncology for brug af de lineære acceleratorer. Vi takker Dr. Jeremy rig for hans gavmilde gave af gliom Stem-lignende celler. Denne forskning blev støttet af Cleveland Clinic.
Materials
| Material | |||
| glioma stem-like cell 4121 | gift from Dr. Jeremy Rich | ||
| 293 cells | ATCC | CRL-1573 | |
| neuron stem cell culture media | Thermo Fisher Scientific | 21103049 | NeurobasalTM media |
| DMEM | Thermo Fisher Scientific | 10569044 | |
| Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher Scientific | 16000044 | |
| Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
| Recombinant Human EGF Protein | R&D Systems | 236-EG-01M | |
| Recombinant Human FGF basic | R&D Systems | 4114-TC-01M | |
| B-27™ Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | |
| Sodium Pyruvate | Thermo Fisher Scientific | 11360070 | |
| L-Glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030164 | |
| Tripsin-EDTA | Thermo Fisher | 25200056 | |
| extracellular proten matrix | Corning | 354277 | MatrigelTM |
| Ethanol | Fisher chemical | A4094 | |
| Equipment | |||
| 10 cm cell culture dish | Denville | T1110 | |
| 3.5 cm cell culture dish | USA Scientific Inc. | CC7682-3340 | |
| 22x22mm glass cover slip | electron microscopy sciences | 72210-10 | |
| 15 ml centrifuge tube | Thomas Scientific | 1159M36 | |
| 50 ml centrifuge tube | Thomas Scientific | 1158R10 | |
| 5 ml Pipette | Fisher Scientific | 14-955-233 | |
| pipet aid | Fisher Scientific | 13-681-06 | |
| Vortex mixer | Fisher Scientific | 02-215-414 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810R | |
| Linear Accelerator | Varian | n/a | |
| water equivalent material | Sun Nuclear corporation | 557 | Solid waterTM |
| Reagent preparation | |||
| DMEM media | 10% fetal bovine serum (FBS), 2 mM L-glutamine, 100 units/mL penicillin G, 100 µg/mL streptomycin in 500 ml DMEM media | ||
| stem cell culture media | 10 ml B27 supplement, 20 µg hFGF, 20 µg hEGF, 2 mM L-glutamine, 100 units/mL penicillin G, 100 µg/mL streptomycin in 500 ml Neurobasal media |
References
- Stupp, R., et al. Radiotherapy plus concomitant and adjuvant temozolomide for glioblastoma. The New England Journal of Medicine. 352 (10), 987-996 (2005).
- Stupp, R., et al. Effects of radiotherapy with concomitant and adjuvant temozolomide versus radiotherapy alone on survival in glioblastoma in a randomised phase III study: 5-year analysis of the EORTC-NCIC trial. The Lancet Oncology. 10 (5), 459-466 (2009).
- Tao, R., et al. Hypoxia imaging in upper gastrointestinal tumors and application to radiation therapy. Journal of Gastrointestinal Oncology. 9 (6), 1044-1053 (2018).
- Gajiwala, S., Torgeson, A., Garrido-Laguna, I., Kinsey, C., Lloyd, S. Combination immunotherapy and radiation therapy strategies for pancreatic cancer-targeting multiple steps in the cancer immunity cycle. Journal of Gastrointestinal Oncology. 9 (6), 1014-1026 (2018).
- Liney, G. P., Whelan, B., Oborn, B., Barton, M., Keall, P. MRI-Linear accelerator raiotherapy systems. Clinical Oncology Journal | The Royal College of Radiologists. 30 (11), 686-691 (2018).
- Hall, E. J. Radiation dose-rate: a factor of importance in radiobiology and radiotherapy. The British Journal of Radiology. 45 (530), 81-97 (1972).
- Steel, G. G., et al. The dose-rate effect in human tumour cells. Radiotherapy & Oncology. 9 (4), 299-310 (1987).
- Ling, C. C., Gerweck, L. E., Zaider, M., Yorke, E. Dose-rate effects in external beam radiotherapy redux. Radiotherapy & Oncology. 95 (3), 261-268 (2010).
- Castro, G., et al. Amotosalen/UVA treatment inactivates T cells more effectively than the recommended gammadose for prevention of transfusion-associated graft-versus-host disease. Transfusion. 58 (6), 1506-1515 (2018).
- Gaddini, L., et al. Exposing primary rat retina cell cultures to γ-rays: An in vitro model for evaluating radiation responses. Experimental Eye Research. 166, 21-28 (2018).
- Simara, P., et al. DNA double-strand breaks in human induced pluripotent stem cell reprogramming and long-term in vitro culturing. Stem Cell Research & Therapy. 8 (1), 73 (2017).
- Wang, Z., et al. A comparison of the biological effects of 125I seeds continuous low-dose-rate radiation and 60Co high-dose-rate gamma radiation on non-small cell lung cancer cells. PLoS One. 10 (8), 0133728 (2015).
- Lasio, G., Guerrero, M., Goetz, W., Lima, F., Baulch, J. E. Effect of varying dose-per-pulse and average dose rate in X-ray beam irradiation on cultured cell survival. Radiation and Environmental Biophysics. 53 (4), 671-676 (2014).
- Karan, T., et al. Radiobiological effects of altering dose rate in filter-free photon beams. Physics in Medicine and Biology. 58 (4), 1075-1082 (2013).
- Sarojini, S., et al. A combination of high dose rate (10X FFF/2400 MU/min/10 MV X-rays) and total low dose (0.5 Gy) induces a higher rate of apoptosis in melanoma cells in vitro and superior preservation of normal melanocytes. Melanoma Research. 25 (5), 376-389 (2015).
- Hao, J., et al. The effects of extra high on glioma stem-like cells. PLoS One. 13 (8), 0202533 (2018).
- Liu, J., et al. Radiation-induced G2/M arrest rarely occurred in glioblastoma stem-like cells. International Journal of Radiation Biology. 94 (4), 394-402 (2018).
- Mcdermott, P., et al. . The Physics and Technology of Radiation Therapy. , (2010).
- Lohse, I., et al. Effect of high dose per pulse flattening filter-free beams on cancer cell survival. Radiotherapy & Oncology. 101 (1), 226-232 (2011).
