Summary

האורך פיזיולוגיים מורפולוגיים ניטור של Spheroids תלת מימדי הגידול באמצעות טומוגרפיה אופטית קוהרנטית

Published: February 09, 2019
doi:

Summary

טומוגרפיה אופטית קוהרנטית (אוקטובר), טכנולוגיה הדמיה תלת-ממדית, שימש כדי לפקח, לאפיין את קינטיקה גידול של הגידול multicellular spheroids. כימות הנפחי מדויק של גידול spheroids באמצעות voxel של סופרים ושל הרקמה המתה ללא תווית זיהוי spheroids מבוסס על ניגוד מהותי הנחתה אופטי, היו הדגים.

Abstract

הגידול spheroids פותחו כמודל תרבות תא תלת מימדי (3D), גילוי תרופות נגד סרטן ומחקר סרטן. עם זאת, כיום, שיטות הדמיה תפוקה גבוהה ניצול זיהוי שדה או קרינה פלואורסצנטית בהיר, אינן מצליחות לפתור מבנה תלת-ממדית הכוללת הגידול ספרואיד עקב חדירה קלה מוגבל, פעפוע של צבעי פלורסנט, עומק-resolvability. לאחרונה, המעבדה שלנו הדגים את השימוש טומוגרפיה אופטית קוהרנטית (אוקטובר), ללא תווית ולא הרסניות 3D הדמיה, לבצע אפיון האורך של הגידול multicellular spheroids בצלחת 96-ובכן. OCT היה מסוגל להשיג נתוני תלת-ממד פיזיולוגיים מורפולוגיים של גידול spheroids גדל עד כ-600 מיקרומטר בגובה. במאמר זה נדגים מערכת הדמיה מסוג תפוקה גבוהה OCT (HT-אוקטובר) כי סורקת את הצלחת כל רב טוב והוא מקבל נתונים תלת-ממדיים OCT של גידול spheroids באופן אוטומטי. אנו מתארים את הפרטים של הנחיות מערכת ובנייה של HT-אוקטובר בפרוטוקול. מנתוני OCT תלת-ממד, אחד יכול לדמיין את המבנה הכללי של ספרואיד עם 3D מעובד, פרוסות אורתוגונלית, לאפיין את עקומת גידול האורך של ספרואיד הגידול בהתבסס על מידע מורפולוגי של גודל ונפח, ולנטר את הצמיחה של האזורים תאים מתים ב ספרואיד הגידול מבוסס על ניגודיות אופטי הנחתה מהותי. אנו מראים כי HT-אוקטובר יכול לשמש כמו מודאליות הדמיה תפוקה גבוהה עבור סמים ההקרנה, כמו גם אפיון דגימות biofabricated.

Introduction

סרטן הוא הסיבה המובילה השניה של מוות העולם1. פיתוח תרופות מיקוד סרטן היא בעלת חשיבות מכרעת עבור חולים. עם זאת, ההערכה היא כי יותר מ-90% של תרופות נוגדות סרטן חדש להיכשל בשלב הפיתוח בשל חוסר יעילות ורעילות לא צפוי ניסויים קליניים2. אחת הסיבות ניתן לייחס את השימוש פשוט תא (2D) דו מימדי התרבות מודלים להקרנה מורכבות, אשר לספק תוצאות ערכי ניבוי מוגבל של תרכובת יעילות ורעילות לשלבים הבאים של גילוי סמים2 , 3 , 4. לאחרונה, פותחו מודלים ספרואיד הגידול תלת מימדי (3D) כדי לספק נתונים פיזיולוגיים ולא תרופתי הרלוונטית קלינית תרופה נגד סרטן דיסקברי3,4,5 ,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25. מאחר spheroids האלה שיכולים לחקות רקמות ספציפיות המאפיינים של גידולים ויוו, כגון חומרי מזון וחמצן הדרגתיות, ובשפתיים ליבה, כמו גם ההתנגדות סמים19, השימוש של מודלים אלה יכול באופן פוטנציאלי לקצר צירי זמן גילוי סמים, הפחת את עלויות ההשקעה, ולהביא תרופות חדשות לחולים ביעילות רבה יותר. גישה אחת קריטית חישוב יעילות מתחם בהתפתחות הגידול 3D ספרואיד היא לנטר את הצמיחה ספרואיד ואת המופע החוזר תחת טיפולי9,26. כדי לעשות זאת, אפיוני כמותית של המורפולוגיה הגידול, מעורבים קוטר ונפח שלה, עם שיטות הדמיה ברזולוציה גבוהה, הם חובה.

שיטות הדמיה קונבנציונליים, כגון שדה בהיר, שלב ניגודיות7,9,22,24פלורסצנטיות מיקרוסקופ8,9,16, 18,22 יכול לספק מידה של הקוטר של ספרואיד אבל אין אפשרות לפענח את המבנה הכללי של ספרואיד במרחב תלת-ממדי. גורמים רבים תורמים מגבלות אלו, כולל חדירה של האור החקרנית ספרואיד; דיפוזיית צבעי פלורסנט לתוך ספרואיד; פולט אותות פלואורסצנט נרגש צבעי פלורסנט בתוך או על פני הנגדי ספרואיד עקב ספיגה חזקה, פזורה; עומק-resolvability אלה שיטות הדמיה. זה מוביל לעתים קרובות מדידה נפח לא מדויק. התפתחות נמק הליבה ב- spheroids מחקה נמק ויוו גידולים6,10,15,19,25. זו תכונה פתולוגית סביר לשכפל תאים 2D תרבויות19,25,27,28. עם גודל ספרואיד גדול מ 500 מיקרומטר בקוטר, מבנה קונצנטריים תלת שכבתי, כולל שכבה חיצונית של תאים מתרבים, שכבה אמצעית של תאים השבתה הדרגתית של גרעין נמק, יכול להיות שנצפו ב ספרואיד6,10 ,15,19,25, בשל חוסר חמצן וחומרים מזינים. תא חי ומת פלורסצנטיות הדמיה היא גישה סטנדרטי לתייג את הגבול של הליבה נמק. עם זאת, שוב, חדירות של אלה צבעי פלורסנט וגם האור הנראה לעכב את הפוטנציאל לחקור לליבה נמק לעקוב אחר התפתחותו בצורתו בפועל.

3D חלופי הדמיה, טומוגרפיה אופטית קוהרנטית (אוקטובר) הוא הציג לאפיין את spheroids הגידול. OCT היא טכניקת הדמיה ביו המסוגלת רכישת נתוני תלת-ממד ללא תווית, הרסניות של עד 1-2 מ מ עומק של רקמות ביולוגיות29,30,31,32,33 ,34. OCT מעסיקה נמוך-קוהרנטיות אינטרפרומטריה לגילוי אותות בחזרה מפוזרים בעומקים שונים של המדגם ומספק המשוחזרת נפתרה-עומק תמונות ברזולוציות המרחבי מיקרון ברמת לכיוונים הצדדיים ואנכיים. OCT אומצה באופן נרחב רפואת עיניים35,36,37 ו מסתמים38,39. מחקרים קודמים השתמשו OCT כדי להתבונן המורפולוגיה של במבחנה spheroids הגידול במטריצת קרום המרתף (למשל, Matrigel) ולהעריך את התגובות שלהם טיפול פוטודינמי40,41. לאחרונה, הקבוצה שלנו הקימה תפוקה גבוהה OCT פלטפורמה הדמיה כדי לפקח באופן שיטתי ולכמת את קינטיקה גידול של הגידול 3D spheroids רב טוב צלחות42. כימות הנפחי מדויק של spheroids הגידול תלת-ממד באמצעות voxel של סופרים גישה וזיהוי רקמת נמק ללא תווית ב spheroids מבוסס על ניגוד מהותי הנחתה אופטי היו הדגים. מאמר זה מתאר את הפרטים של איך פלטפורמת הדמיה OCT היה נבנה ולא מועסק כדי לקבל תמונות תלת-ממד ברזולוציה גבוהה של גידול spheroids. כמותני צעד אחר צעד של קינטיקה הצמיחה של הגידול 3D spheroids, כולל מדידות מדויקות של קוטר ספרואיד ואמצעי אחסון, מתואר. כמו כן, השיטה של גילוי הרסניות של רקמת נמק אזורים באמצעות OCT, בהתבסס על הניגוד הנחתה אופטי מהותי מוצג.

Protocol

1. הכנת תאים להשיג שורות תאים מן הספק מוסמך.הערה: ודא כי התאים משורות תאים עניין ניתן טופס ספרואיד בתקשורת תרבות או עם העזרה של מצע (קרום המרתף מטריצה כמו Matrigel). להסתכל לתוך הספרות9 או לבצע סיבוב אחד של ניסוי טרום לבדיקה. להפשיר את התאים קפוא בעקבות ההליך ספציפיים המ?…

Representative Results

הדמיה טומוגרפיה אופטית קוהרנטית תפוקה גבוהה של Spheroids בצלחת 96-ובכן איור 3 תערוכות התוצאה של HT-אוקטובר סריקה של צלחת 96-ובכן עם spheroids הגידול של HCT 116 על יום 3. הסריקה רציפים של צלחת מלאה מתחיל מן הבאר הימנית התחתונה (H12). …

Discussion

הגידול בפעילות רלוונטי מאוד במבנה מורפולוגי. בדומה ניטור עקומת גדילה אופיינית עבור תרביות תאים 2D, מעקב אחר עקומת גדילה עבור גידול 3D spheroids הוא גם גישה המקובלת לאפיין את התנהגות גדילה ספרואיד לטווח ארוך עבור שורות תאים שונים. ראוי לציין, ניתן לאפיין את התגובה סמים על ידי ניתוח גידול השפלה או …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי ה-NSF מעניקה IDBR (DBI-1455613), PFI:AIR-TT (השפה-1640707), NIH מענקים R21EY026380, R15EB019704, R01EB025209, אוניברסיטת ליהיי הפעלה קרן.

Materials

Custom Spectral Domain OCT imaging system Developed in our lab
Superluminescent Diode (SLD) Thorlabs SLD1325 light source
2×2 single mode fused fiber coupler, 50:50 splitting ratio AC Photonics WP13500202B201
Reference Arm
Lens Tube Thorlabs
Adapter Thorlabs
Collimating Lens Thorlabs AC080-020-C
Focusing Lens Thorlabs
Kinematic Mirror Mount Thorlabs
Mirror Thorlabs
1D Translational Stage Thorlabs
Continuous neutral density filter Thorlabs
Pedestrial Post Thorlabs
Clamping Fork Thorlabs
Sample Arm
Lens Tube Thorlabs
Adapter Thorlabs
Collimating Lens Thorlabs AC080-020-C
Galvanometer Thorlabs
Relay Lens Thorlabs AC254-100-C two Relay lens to make a telescope setup
Triangle Mirror Mount Thorlabs
Mirror Thorlabs
Objective Mitutoyo
Pedestrial Post Thorlabs
Clamping Fork Thorlabs
Polarization Controller Thorlabs
30mm Cage Mount Thorlabs
Cage Rod Thorlabs
Stage
3D motorized translation stage Beijing Mao Feng Optoelectronics Technology Co., Ltd. JTH360XY
2D Tilting Stage
Rotation Stage
Plate Holder 3D printed
Spectrometer
Lens Tube Thorlabs
Adapter Thorlabs
Collimating Lens Thorlabs AC080-020-C
Grating Wasatch G = 1145 lpmm
F-theta Lens Thorlabs FTH-1064-100
InGaAs Line-scan Camera Sensor Unlimited SU1024-LDH2
Name Company Catalog Number Comments
Cell Culture Component
HCT 116 Cell line ATCC CCL-247
Cell Culture Flask SPL Life Sciences 70025
Pipette Fisherbrand 14388100
Pipette tips Sorenson Bioscience 10340
Gibco GlutaMax DMEM Thermo Fisher Scientific 10569044
Fetal Bovine Serum, certified, US origin Thermo Fisher Scientific 16000044
Antibiotic-Antimycotic (100X) Thermo Fisher Scientific 15240062
Corning 96-well Clear Round Bottom Ultra-Low Attachment Microplate Corning 7007
Gibco PBS, pH 7.4 Thermo Fisher Scientific 10010023
Gibco Trypsin-EDTA (0.5%) Thermo Fisher Scientific 15400054
Forma Series II 3110 Water-Jacketed CO2 Incubators Thermo Fisher Scientific 3120
Gloves VWR 89428-750
Parafilm Sigma-Aldrich P7793
Transfer pipets Globe Scientific 138080
Centrifuge Eppendorf 5702 R To centrifuge the 15 mL tube
Centrifuge NUAIRE AWEL CF 48-R To centrifuge the 96-well plate
Microscope Olympus
Name Company Catalog Number Comments
Histology & IHC
Digital slide scanner Leica Aperio AT2 Obtain high-resolution histological images
Histology Service Histowiz Request service for histological and immunohistological staining of tumor spheroid
Name Company Catalog Number Comments
List of Commerical OCTs
SD-OCT system Thorlabs Telesto Series
SD-OCT system Wasatch Photonics WP OCT 1300 nm
Name Company Catalog Number Comments
Software for Data Analyses
Basic Image Analysis NIH ImageJ Fiji also works.
3D Rendering Thermo Fisher Scientific Amira Commercial software. Option 1
3D Rendering Bitplane Imaris Commercial software. Option 2. Used in the protocol
OCT acquisition software custom developed in C++.
Stage Control Beijing Mao Feng Optoelectronics Technology Co., Ltd. MRC_3 Incorporated into the custom OCT acquisition code
OCT processing software custom developed in C++. Utilize GPU. Incorporated into the custom OCT acquisition code.
Morphological and Physiological Analysis custom developed in MATLAB

Riferimenti

  1. Kola, I., Landis, J. Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates?. Nature Reviews Drug Discovery. 3 (8), 711-716 (2004).
  2. Breslin, S., O’Driscoll, L. Three-dimensional cell culture: the missing link in drug discovery. Drug Discovery Today. 18, 240-249 (2013).
  3. Hickman, J. A., et al. Three-dimensional models of cancer for pharmacology and cancer cell biology: Capturing tumor complexity in vitro/ex vivo. Biotechnology Journal. 9 (9), 1115-1128 (2014).
  4. Sutherland, R. M. Cell and environment interactions in tumor microregions: the multicell spheroid model. Science. 240 (4849), 177-184 (1988).
  5. Mueller-Klieser, W. Three-dimensional cell cultures: from molecular mechanisms to clinical applications. American Journal of Physiology – Cell Physiology. 273, C1109-C1123 (1997).
  6. Friedrich, J., Seidel, C., Ebner, R., Kunz-Schughart, L. A. Spheroid-based drug screen: considerations and practical approach. Nature Protocols. 4 (3), 309-324 (2009).
  7. Tung, Y. -. C., et al. High-throughput 3D spheroid culture and drug testing using a 384 hanging drop array. The Analyst. 136 (3), 473-478 (2011).
  8. Vinci, M., et al. Advances in establishment and analysis of three-dimensional tumor spheroid-based functional assays for target validation and drug evaluation. BMC biology. 10, 29 (2012).
  9. LaBarbera, D. V., Reid, B. G., Yoo, B. H. The multicellular tumor spheroid model for high-throughput cancer drug discovery. Expert Opinion on Drug Discovery. 7, 819-830 (2012).
  10. Pampaloni, F., Ansari, N., Stelzer, E. H. K. High-resolution deep imaging of live cellular spheroids with light-sheet-based fluorescence microscopy. Cell and Tissue Research. 352, 161-177 (2013).
  11. Lovitt, C. J., Shelper, T. B., Avery, V. M. Miniaturized three-dimensional cancer model for drug evaluation. Assay and Drug Development Technologies. 11 (7), 435-448 (2013).
  12. Wenzel, C., et al. 3D high-content screening for the identification of compounds that target cells in dormant tumor spheroid regions. Experimental Cell Research. 323 (1), 131-143 (2014).
  13. Astashkina, A., Grainger, D. W. Critical analysis of 3-D organoid in vitro cell culture models for high-throughput drug candidate toxicity assessments. Innovative tissue models for drug discovery and development. 69, 1-18 (2014).
  14. Edmondson, R., Broglie, J. J., Adcock, A. F., Yang, L. Three-dimensional cell culture systems and their applications in drug discovery and cell-based biosensors. Assay and Drug Development Technologies. 12 (4), 207-218 (2014).
  15. Gong, X., et al. Generation of multicellular tumor spheroids with microwell-based agarose scaffolds for drug testing. PLoS ONE. 10 (6), e0130348 (2015).
  16. Hoffmann, O. I., et al. Impact of the spheroid model complexity on drug response. Journal of biotechnology. 205, 14-23 (2015).
  17. Martinez, N. J., Titus, S. A., Wagner, A. K., Simeonov, A. High-throughput fluorescence imaging approaches for drug discovery using in vitroand in vivothree-dimensional models. Expert Opinion on Drug Discovery. 10, 1347-1361 (2015).
  18. Nath, S., Devi, G. R. Three-dimensional culture systems in cancer research: Focus on tumor spheroid model. Pharmacology, Therapeutics. 163, 94-108 (2016).
  19. Li, L., Zhou, Q., Voss, T. C., Quick, K. L., LaBarbera, D. V. High-throughput imaging: Focusing in on drug discovery in 3D. Methods. 96, 97-102 (2016).
  20. Ham, S. L., Joshi, R., Thakuri, P. S., Tavana, H. Liquid-based three-dimensional tumor models for cancer research and drug discovery. Experimental Biology and Medicine. 241 (9), 939-954 (2016).
  21. Kessel, S., et al. High-Throughput 3D Tumor Spheroid Screening Method for Cancer Drug Discovery Using Celigo Image Cytometry. Journal of Laboratory Automation. , 2211068216652846 (2016).
  22. Stock, K., et al. Capturing tumor complexity in vitro: Comparative analysis of 2D and 3D tumor models for drug discovery. Scientific Reports. 6, 28951 (2016).
  23. Thakuri, P. S., Ham, S. L., Luker, G. D., Tavana, H. Multiparametric analysis of oncology drug screening with aqueous two-phase tumor spheroids. Molecular Pharmaceutics. 13 (11), 3724-3735 (2016).
  24. Lin, R. Z., Chang, H. Y. Recent advances in three-dimensional multicellular spheroid culture for biomedical research. Biotechnology Journal. 3 (9-10), 1172-1184 (2008).
  25. Piccinini, F., Tesei, A., Arienti, C., Bevilacqua, A. Cancer multicellular spheroids: Volume assessment from a single 2D projection. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 118 (2), 95-106 (2015).
  26. Zanoni, M., et al. 3D tumor spheroid models for in vitro therapeutic screening: a systematic approach to enhance the biological relevance of data obtained. Scientific Reports. 6, 19103 (2016).
  27. Debnath, J., Brugge, J. S. Modelling glandular epithelial cancers in three-dimensional cultures. Nature Reviews Cancer. 5 (9), 675-688 (2005).
  28. Huang, D., et al. Optical coherence tomography. Science. 254 (5035), 1178-1181 (1991).
  29. Drexler, W., et al. Optical coherence tomography today: speed, contrast, and multimodality. Journal of Biomedical Optics. 19 (7), 071412 (2014).
  30. Fujimoto, J., Swanson, E. The development, commercialization, and impact of optical coherence tomography. Investigative Ophthalmology, Visual Science. 57 (9), (2016).
  31. Vakoc, B. J., Fukumura, D., Jain, R. K., Bouma, B. E. Cancer imaging by optical coherence tomography: preclinical progress and clinical potential. Nature Reviews Cancer. 12 (5), 363-368 (2012).
  32. Wojtkowski, M. High-speed optical coherence tomography: basics and applications. Applied optics. 49 (16), D30-D61 (2010).
  33. Drexler, W., Fujimoto, J. G. . Optical coherence tomography: technology and applications. , (2008).
  34. Geitzenauer, W., Hitzenberger, C. K., Schmidt-Erfurth, U. M. Retinal optical coherence tomography: past, present and future perspectives. British Journal of Ophthalmology. 95 (2), 171 (2011).
  35. Sakata, L. M., DeLeon-Ortega, J., Sakata, V., Girkin, C. A. Optical coherence tomography of the retina and optic nerve – a review. Clinical, Experimental Ophthalmology. 37 (1), 90-99 (2009).
  36. van Velthoven, M. E. J., Faber, D. J., Verbraak, F. D., van Leeuwen, T. G., de Smet, M. D. Recent developments in optical coherence tomography for imaging the retina. Progress in Retinal and Eye Research. 26 (1), 57-77 (2007).
  37. Kashani, A. H., et al. Optical coherence tomography angiography: A comprehensive review of current methods and clinical applications. Progress in Retinal and Eye Research. 60, 66-100 (2017).
  38. de Carlo, T. E., Romano, A., Waheed, N. K., Duker, J. S. A review of optical coherence tomography angiography (OCTA). International Journal of Retina and Vitreous. 1 (1), 5 (2015).
  39. Sharma, M., Verma, Y., Rao, K. D., Nair, R., Gupta, P. K. Imaging growth dynamics of tumour spheroids using optical coherence tomography. Biotechnology Letters. 29 (2), 273-278 (2006).
  40. Jung, Y., Nichols, A. J., Klein, O. J., Roussakis, E., Evans, C. L. Label-Free, Longitudinal Visualization of PDT Response In Vitro with Optical Coherence Tomography. Israel Journal of Chemistry. 52 (8-9), 728-744 (2012).
  41. Huang, Y., et al. Optical coherence tomography detects necrotic regions and volumetrically quantifies multicellular tumor spheroids. Ricerca sul cancro. 77 (21), 6011-6020 (2017).
  42. Spalteholz, W. . Über das Durchsightigmachen von menschlichen und tierischen Präparaten: nebst Anhang, Über Knochenfärbung. , (1911).
  43. Dodt, H. -. U., et al. Ultramicroscopy: three-dimensional visualization of neuronal networks in the whole mouse brain. Nature Methods. 4 (4), 331 (2007).
  44. Leitgeb, R., Hitzenberger, C., Fercher, A. F. Performance of fourier domain vs. time domain optical coherence tomography. Optics express. 11 (8), 889-894 (2003).
  45. Jian, Y., Wong, K., Sarunic, M. V. . Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XVII. , 85710Z (2013).
  46. Guizar-Sicairos, M., Thurman, S. T., Fienup, J. R. Efficient subpixel image registration algorithms. Optics Letters. 33 (2), 156-158 (2008).
  47. Canny, J. A computational approach to edge detection. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. (6), 679-698 (1986).
  48. Vermeer, K. A., Mo, J., Weda, J. J. A., Lemij, H. G., de Boer, J. F. Depth-resolved model-based reconstruction of attenuation coefficients in optical coherence tomography. Biomedical Optics Express. 5 (1), 322-337 (2014).
  49. Klein, T., et al. Multi-MHz retinal OCT. Biomedical Optics Express. 4, 1890-1908 (2013).
  50. Klein, T., Huber, R. High-speed OCT light sources and systems [Invited]. Biomedical Optics Express. 8 (2), 828-859 (2017).
  51. Zhou, C., Alex, A., Rasakanthan, J., Ma, Y. Space-division multiplexing optical coherence tomography. Optics Express. 21, 19219-19227 (2013).
check_url/it/59020?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Huang, Y., Zou, J., Badar, M., Liu, J., Shi, W., Wang, S., Guo, Q., Wang, X., Kessel, S., Chan, L. L., Li, P., Liu, Y., Qiu, J., Zhou, C. Longitudinal Morphological and Physiological Monitoring of Three-dimensional Tumor Spheroids Using Optical Coherence Tomography. J. Vis. Exp. (144), e59020, doi:10.3791/59020 (2019).

View Video