JoVE Journal > Cancer Research
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
암 연구학

Longitudinale morfologiche e fisiologiche monitoraggio di sferoidi tridimensionale del tumore usando la tomografia a coerenza ottica

Published: February 09, 2019
doi:
10.3791/59020
, , , , , , , , , , , , ,
1Department of Electrical and Computer Engineering,Lehigh University, 2Department of Mechanical Engineering,Lehigh University, 3Department of Biomedical Engineering,Southern University of Science and Technology, 4Department of Technology R&D,Nexcelom Bioscience LLC, 5Department of Bioengineering,Lehigh University, 6Center for Photonics and Nanoelectronics,Lehigh University

Summary

Tomografia a coerenza ottica (OCT), una tecnologia di imaging tridimensionale, è stata utilizzata per monitorare e caratterizzare la cinetica di crescita di sferoidi multicellulari del tumore. Precisa quantificazione volumetrica di sferoidi tumore usando un voxel contando approccio e rilevamento di tessuto morto privo di etichetta in sferoidi basato sul contrasto intrinseco attenuazione ottica, sono stati dimostrati.

Abstract

Sferoidi di tumore sono stati sviluppati come un modello di cultura tridimensionale (3D) delle cellule nella scoperta della droga del cancro ricerca e anti-cancro. Tuttavia, attualmente, modalità di formazione immagine ad alta velocità che utilizza il rilevamento di campo o fluorescenza brillante, si riesce a risolvere la struttura nel complesso 3D della sferoide di tumore a causa della limitata penetrazione della luce, diffusione di coloranti fluorescenti e profondità-possibilità di risoluzione. Recentemente, il nostro laboratorio ha dimostrato l’uso della tomografia a coerenza ottica (OCT), un’etichetta-free e non-distruttivo modalità, per eseguire la caratterizzazione longitudinale di sferoidi multicellulari del tumore in una piastra a 96 pozzetti di imaging 3D. OCT è stato in grado di ottenere informazioni morfologiche e fisiologiche 3D di sferoidi tumore cresce fino a circa 600 µm in altezza. In questo articolo, dimostriamo un sistema di imaging OCT (HT-OCT) ad alta velocità che analizza il piatto intero multi-pozzetto e ottiene automaticamente dati 3D OCT di sferoidi del tumore. Descriviamo i dettagli degli orientamenti HT-OCT sistema e costruzione nel protocollo. Dai dati OCT 3D, si può visualizzare la struttura complessiva della sferoide con 3D rendering e sezioni ortogonali, caratterizzano la curva di crescita longitudinale della sferoide di tumore sulla base delle informazioni morfologiche di dimensione e volume e monitorare la crescita delle le regioni di morti-cellula nella sferoide di tumore basato sul contrasto di attenuazione ottica intrinseca. Mostriamo che HT-OCT utilizzabile come una modalità di imaging ad alta produttività per la droga di screening come pure che caratterizzano i campioni biofabricated.

Introduction

Il cancro è la seconda causa di morte nel mondo1. Lo sviluppo di farmaci targeting per cancro è di cruciale importanza per i pazienti. Tuttavia, si stima che oltre il 90% di nuovi farmaci anti-cancro non riuscire in fase di sviluppo a causa di una mancanza di efficacia e tossicità inattesa in studi clinici2. Parte della ragione può essere attribuita all’uso di modelli della coltura semplice cellulare bidimensionale (2D) per lo screening di composto, che forniscono risultati limitati valori predittivi di composto efficacia e tossicità per le seguenti fasi di drug discovery2 , 3 , 4. recentemente, tridimensionale (3D) tumore sferoide modelli sono stati sviluppati per fornire i dati fisiologici e farmacologici clinicamente rilevanti per farmaco anti-cancro discovery3,4,5 ,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25. Poiché questi sferoidi possono imitare il tessuto-specifica proprietà di tumori in vivo, quali nutrienti e l’ossigeno gradiente, hypoxic nucleo così come farmaco resistenza19, l’uso di questi modelli potenzialmente possibile abbreviare droga scoperta sequenze temporali, ridurre i costi di investimento e portare nuovi farmaci ai pazienti in modo più efficace. Un approccio critico alla valutazione dell’efficacia di composto in fase di sviluppo di tumore 3D sferoide è monitorare la crescita della sferoide e ricorrenza sotto trattamenti9,26. Per effettuare questa operazione, caratterizzazioni quantitative della morfologia del tumore, che coinvolge il suo diametro e volume, con modalità di imaging ad alta risoluzione, sono di importanza fondamentale.

Modalità di imaging convenzionale, come campo chiaro, contrasto fase7,9,22,24e fluorescenza microscopia8,9,16, 18,22 può fornire una misura del diametro di sferoide ma non riesce a risolvere la struttura complessiva della sferoide nello spazio 3D. Molti fattori contribuiscono a queste limitazioni, tra cui la penetrazione della luce sondaggio in sferoide; diffusione delle tinture fluorescenti in sferoide; che emettono segnali fluorescenti da tinture fluorescenti eccitati all’interno o sulla superficie opposta di sferoide a causa di forte assorbimento e scattering; e profondità-possibilità di risoluzione di queste modalità di formazione immagine. Questo spesso porta a una misura di volume imprecise. Sviluppo del nucleo necrotico in sferoidi imita necrosi in vivo i tumori6,10,15,19,25. Questa caratteristica patologica è improbabile riprodotto in 2D cell culture19,25,27,28. Con una dimensione di sferoide superiore a 500 µm di diametro, una struttura a tre strati concentrica, tra cui uno strato esterno delle cellule di proliferazione, uno strato intermedio di cellule quiescenti e un core necrotico, può essere osservato in sferoide6,10 ,15,19,25, per mancanza di ossigeno e sostanze nutritive. Formazione immagine di fluorescenza cellulare vivi e morti è l’approccio standard per etichettare il contorno del nucleo necrotico. Tuttavia, ancora una volta, penetrazioni di questi coloranti fluorescenti e la luce visibile e ostacolare il potenziale per sondare il nucleo necrotico per monitorare il suo sviluppo nella sua forma attuale.

Un’alternativa 3D modalità di imaging, tomografia a coerenza ottica (OCT) è stato introdotto per caratterizzare le sferoidi di tumore. L’OCT è una tecnica di imaging biomedicina che è in grado di acquisire dati 3D privo di etichetta, non distruttive da fino a 1-2 mm profondità nei tessuti biologici29,30,31,32,33 ,34. L’OCT impiega interferometria di basso-coerenza per rilevare i segnali sparsi indietro da diverse profondità del campione e fornisce immagini ricostruite risolta in profondità a livello di micron risoluzioni spaziali in direzione laterale e verticale. OCT è stato ampiamente adottato in Oftalmologia35,36,37 e angiografia38,39. Gli studi precedenti hanno usato OCT di osservare la morfologia in vitro di sferoidi di tumore nella matrice della membrana basale (ad es., Matrigel) e valutare le loro risposte alla terapia fotodinamica40,41. Recentemente, il nostro gruppo istituito una piattaforma di imaging OCT ad alta produttività per monitorare e quantificare la cinetica di crescita di sferoidi 3D del tumore in piastre multi-pozzetto42sistematicamente. Precisa quantificazione volumetrica di sferoidi tumore 3D utilizzando un voxel contando approccio e rilevamento di tessuto necrotico privo di etichetta in sferoidi basato sul contrasto intrinseco attenuazione ottica sono stati dimostrati. Questo articolo descrive i dettagli di come la piattaforma di imaging OCT è stata costruita e impiegata per ottenere immagini ad alta risoluzione 3D di sferoidi del tumore. Le dettagliate analisi quantitativa della cinetica di crescita di sferoidi 3D del tumore, tra cui misure accurate di diametro sferoide e volumi, è descritto. Inoltre, il metodo di rilevazione non distruttiva delle regioni di tessuto necrotico mediante OCT, basata sul contrasto intrinseco attenuazione ottica è presentato.

Protocol

1. preparazione delle celle Ottenere linee cellulari da un fornitore qualificato.Nota: Verificare che le cellule da linee cellulari di interesse possono formare sferoide in terreni di coltura o con l’aiuto di un substrato (matrice della membrana basale come Matrigel). Esaminare la letteratura9 o esegue un round di un pre-esperimento per un controllo. Scongelare le cellule congelate seguendo la procedura specifica fornita dal fornitore linea cellulare. Una procedura generale…

Representative Results

Formazione immagine di tomografia ottica di coerenza di elevato Throughput di sferoidi in una piastra a 96 pozzetti Figura 3 presenta il risultato della scansione di una piastra a 96 pozzetti con sferoidi tumore HCT 116 il giorno 3 di HT-OCT. La scansione sequenza di tutta la piastra inizia dal pozzo inferiore destro (H12). Figura 3B Mostra il diagramma di flusso di implem…

Discussion

Attività del tumore è molto importante per la sua struttura morfologica. Simile alla curva di crescita caratteristici per colture cellulari 2D di monitoraggio, rilevamento la curva di crescita per sferoidi 3D del tumore è anche un approccio convenzionale per caratterizzare il comportamento di crescita a lungo termine della sferoide per differenti linee cellulari. In particolare, noi possiamo caratterizzare la risposta di droga analizzando la degradazione del tumore o ricrescita del tumore riflettuto direttamente la cu…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato da NSF concede IDBR (DBI-1455613), PFI:AIR-TT (IIP-1640707), fondo di avvio di NIH sovvenzioni, R21EY026380, R15EB019704 e R01EB025209 e Lehigh University.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. 암 연구학. 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).

Tags

Keywords: 3D Tumor SpheroidsOptical Coherence Tomography3D Cell CultureAnti-cancer Drug DiscoveryCell SeedingCell SuspensionUltra-low Attachment PlateCentrifugationCell ConcentrationCell MonitoringIncubationMedium RefreshOCT System Construction
check_url/kr/59020?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image