ठोस कैंसर की रीकैपिटलिंग पैथोलॉजिक प्रगति के लिए 3डी सेल-मुद्रित हाइपोक्सिक कैंसर-ऑन-ए-चिप
Summary
हाइपोक्सिया ट्यूमर माइक्रोएनवायरमेंट की एक बानगी है और कैंसर की प्रगति में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह लेख कैंसर की हाइपोक्सिया से संबंधित विकृति को फिर से काटना करने के लिए 3 डी सेल-प्रिंटिंग तकनीक पर आधारित एक हाइपोक्सिक कैंसर-ऑन-ए-चिप की निर्माण प्रक्रिया का वर्णन करता है।
Abstract
कैंसर माइक्रोएनवायरमेंट रोग की प्रगति पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। विशेष रूप से, हाइपोक्सिया कैंसर के अस्तित्व, आक्रमण और रसायनवाद का प्रमुख चालक है। यद्यपि हाइपोक्सिया से संबंधित कैंसर विकृति का अध्ययन करने के लिए कई इन विट्रो मॉडल विकसित किए गए हैं, लेकिन सटीक स्थानिक नियंत्रण की कमी के कारण वीवो में देखे गए कैंसर माइक्रोएनवायरमेंट के जटिल परस्पर क्रिया को अभी तक पुन: पेश नहीं किया गया है। इसके बजाय, कैंसर पारिस्थितिकी और सटीक कैंसर रोधी उपचार मूल्यांकन के बेहतर अनुकरण के लिए माइक्रोफिजियोलॉजिकल सिस्टम बनाने के लिए 3 डी बायोफैब्रिकेशन दृष्टिकोण का प्रस्ताव किया गया है। इसके साथ ही, हम हाइपोक्सिक कैंसर-ऑन-ए-चिप बनाने के लिए 3डी सेल-प्रिंटिंग दृष्टिकोण का प्रस्ताव करते हैं। चिप में हाइपोक्सिया-उत्प्रेरण घटकों को ऑक्सीजन वितरण के कंप्यूटर सिमुलेशन के आधार पर निर्धारित किया गया था। कैंसर-स्ट्रोमा गाढ़ा छल्ले ग्लियोब्लास्टोमा कोशिकाओं और एंडोथेलियल कोशिकाओं से युक्त बायोइंक का उपयोग करके मुद्रित किए गए थे ताकि एक प्रकार के ठोस कैंसर का पुनर्पूंजीकरण किया जा सके । जिसके परिणामस्वरूप चिप केंद्रीय हाइपोक्सिया का एहसास है और प्रतिनिधि रोगविज्ञानी मार्कर के गठन के साथ कैंसर में बढ़ द्रोह । कुल मिलाकर, एक ठोस कैंसर-मिमेटिक माइक्रोफिजियोलॉजिकल सिस्टम बनाने के लिए प्रस्तावित दृष्टिकोण से कैंसर अनुसंधान के लिए वीवो और इन विट्रो मॉडलों के बीच की खाई को पाटने की उम्मीद है ।
Introduction
कैंसर माइक्रोएनवायरमेंट कैंसर प्रगति ड्राइविंग एक महत्वपूर्ण कारक है। जैव रासायनिक, जैव भौतिकी और सेलुलर संकेतों सहित कई घटक, कैंसर की रोग विशेषताओं को निर्धारित करते हैं। इनमें से, हाइपोक्सिया दृढ़ता से कैंसर के अस्तित्व, प्रसार और आक्रमण1से जुड़ा हुआ है। कैंसर कोशिकाओं के असीमित विकास और विभाजन के कारण, पोषक तत्व और ऑक्सीजन लगातार समाप्त हो जाते हैं, और एक हाइपोक्सिक ढाल उत्पन्न होता है। कम ऑक्सीजन की स्थिति में, कोशिकाएं हाइपोक्सिया-अक्षुण्ण प्रतिलेखन कारक (एचआईएफ) से जुड़े आणविक झरना को सक्रिय करती हैं। यह प्रक्रिया एक परिगलित कोर को प्रेरित करती है, मेटाबोलिक परिवर्तनों को ट्रिगर करती है, और रक्त वाहिका हाइपरप्लासिया और मेटास्टेसिस2,3शुरू करती है। इसके बाद, कैंसर कोशिकाओं में हाइपोक्सिया पड़ोसी सामान्य ऊतकों के विनाश का कारण बनता है। इसके अलावा, हाइपोक्सिया बहुकार्य शिष्टाचार में ठोस ट्यूमर के चिकित्सीय प्रतिरोध से दृढ़ता से जुड़ा हुआ है। हाइपोक्सिया रेडियोथेरेपी को गंभीर रूप से बाधित कर सकता है, क्योंकि प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों1,4के कारण रेडियोसेंसिटिविटी सीमित है। इसके अलावा, यह कैंसर माइक्रोएनवायरमेंटमेंट्स के पीएच स्तर को कम करता है, जो दवा संचय1को कम करता है। इसलिए, विट्रो में हाइपोक्सिया से संबंधित रोग सुविधाओं को पुन: उत्पन्न करना वैज्ञानिक और पूर्व-नैदानिक निष्कर्षों के लिए एक आशाजनक रणनीति है।
कैंसर के विकास को समझने और उचित उपचार की खोज के लिए कैंसर का एक विशिष्ट माइक्रोएनवायरमेंट मॉडलिंग आवश्यक है। यद्यपि पशु मॉडलों का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है क्योंकि उनकी मजबूत शारीरिक प्रासंगिकता है, प्रजातियों के मतभेदों और नैतिक समस्याओं से संबंधित मुद्दे5मौजूद हैं। इसके अलावा, हालांकि पारंपरिक 2D और 3 डी मॉडल में गहराई से विश्लेषण के लिए कैंसर कोशिकाओं के हेरफेर और वास्तविक समय इमेजिंग के लिए अनुमति देते हैं, उनकी वास्तुशिल्प और सेलुलर जटिलता को पूरी तरह से पुनः संक्षिप्त नहीं किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, कैंसर स्फेरॉइड मॉडल का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है, क्योंकि एक स्फेरॉइड में कैंसर सेल एकत्रीकरण स्वाभाविक रूप से कोर में हाइपोक्सिया उत्पन्न कर सकता है। इसके अलावा, प्लास्टिक या सिलिकॉन आधारित मल्टी-वेल सिस्टम6,7का उपयोग करके एक समान आकार के सेलुलर गोलाकारों की बड़ी संख्या का उत्पादन किया गया है। हालांकि, पारंपरिक प्लेटफार्मों के साथ कैंसर ऊतकों की सटीक विषम संरचना पर कब्जा करने के संबंध में कम लचीलेपन ने कैंसर अनुसंधान8में सुधार के लिए एक अत्यधिक बायोमिमेटिक प्लेटफॉर्म बनाने के लिए एक उन्नत बायोफैब्रिकेशन तकनीक की स्थापना की आवश्यकता है।
3 डी माइक्रोफिजियोलॉजिकल सिस्टम (एमपीएस) कैंसर कोशिकाओं की जटिल ज्यामिति और रोग प्रगति को फिर से काटना उपयोगी उपकरण हैं9। कैंसर कोशिकाओं के रूप में विकास कारकों और केमोकिंस और यांत्रिक विषमता प्रणाली पर पुन: पेश के जैव रासायनिक ढाल भावना, कैंसर के विकास की महत्वपूर्ण सुविधाओं विट्रो में जांच की जा सकती है । उदाहरण के लिए, अलग-अलग ऑक्सीजन सांद्रता के आधार पर कैंसर व्यवहार्यता, मेटास्टैटिक द्रोह और दवा प्रतिरोध का अध्ययन किया गया है, जिसमें एमपीएसएस10, 11का उपयोग करके अध्ययन किया गया है। हाल की प्रगति के बावजूद, इन विट्रो मॉडल की हाइपोक्सिक स्थितियां पैदा करना जटिल निर्माण प्रक्रियाओं पर निर्भर करता है, जिसमें भौतिक गैस पंपों के साथ संबंध शामिल है। इसलिए, कैंसर-विशिष्ट माइक्रोएनवायरमेंट बनाने के लिए सरल, और लचीले तरीकों की आवश्यकता है।
3डी सेल प्रिंटिंग तकनीक ने देशी जैविक आर्किटेक्चर12को फिर से शुरू करने के लिए बायोमैटेरियल्स की स्थानिक व्यवस्था के सटीक नियंत्रण के कारण काफी ध्यान प्राप्त किया है । विशेष रूप से, यह तकनीक कैंसर माइक्रोएनवायरमेंट की स्थानिक विशेषताओं के निर्माण के लिए अपनी उच्च नियंत्रणीयता और व्यवहार्यता के कारण 3 डी हाइपोक्सिया मॉडल की मौजूदा सीमाओं पर काबू पा रही है। 3 डी प्रिंटिंग एक परत-दर-परत प्रक्रिया के माध्यम से कंप्यूटर-एडेड विनिर्माण की सुविधा भी प्रदान करती है, जिससे वास्तविक ऊतक आर्किटेक्चर की नकल करने के लिए जटिल ज्यामिति का तेजी से, सटीक और प्रजनन योग्य निर्माण प्रदान होता है। 3 डी एमपीएस के लिए मौजूदा विनिर्माण रणनीतियों के फायदों के अलावा, कैंसर की प्रगति की रोगविज्ञानी विशेषताओं को जैव रासायनिक, सेलुलर और जैव भौतिक घटकों13, 14को पैटर्न करके पुन: पेश किया जा सकता है।
इसके साथ ही, हम एक ठोस कैंसर(चित्रा 1)15की विषमता को पुनः प्राप्त करने के लिए हाइपोक्सिक कैंसर-ऑन-ए-चिप के लिए 3डी सेल-प्रिंटिंग रणनीति प्रस्तुत करते हैं। निर्माण मापदंडों प्रणाली में केंद्रीय हाइपोक्सिया गठन के एक कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन के माध्यम से निर्धारित किया गया । कैंसर-स्ट्रोमा गाढ़ा छल्ले ग्लियोब्लास्टोमा कोशिकाओं और एंडोथेलियल कोशिकाओं से युक्त कोलेजन बायोिंक का उपयोग करके मुद्रित किए गए थे ताकि ग्लियोब्लास्टोमा के रोगविज्ञान का अनुकरण किया जा सके, जो एक प्रकार का ठोस कैंसर है । रेडियल ऑक्सीजन ग्रेडिएंट के बनने से कैंसर द्रोह बढ़ गया, जो आक्रामकता को मजबूत करता है। इसके अलावा, हम रोगी-विशिष्ट प्रीक्लिनिकल मॉडल के लिए चिप के अनुप्रयोगों के लिए भविष्य के दृष्टिकोण का संकेत देते हैं। एक ठोस कैंसर-मिमेटिक माइक्रोफिजियोलॉजिकल सिस्टम बनाने के लिए प्रस्तावित दृष्टिकोण से कैंसर के वीवो और इन विट्रो मॉडलों के बीच की खाई को पाटने की उम्मीद है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस अध्ययन में, हम 3 डी सेल-प्रिंटिंग तकनीक पर आधारित हाइपोक्सिक कैंसर-ऑन-ए-चिप की निर्माण प्रक्रिया का वर्णन करते हैं। डिजाइन की गई चिप में हाइपोक्सिक रेडिएंट के बनने की भविष्यवाणी कंप्यूटर सिमुलेशन क?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को नेशनल रिसर्च फाउंडेशन ऑफ कोरिया (एनआरएफ) द्वारा समर्थित किया गया था जो शिक्षा मंत्रालय (नंबर 2020R1A6A1A03047902 और एनआरएफ-2018H1A1A1062091) और कोरिया सरकार (MSIT) (No) द्वारा वित्त पोषित था । एनआरएफ-2019R1C1C1009606 और एनआरएफ-2019R1A3A3005437) ।
Materials
| Cells | |||
| Human umbilical vein endothelial cells | Promocell | C-12200 | |
| U-87 MG cells | ATCC | ATCC HTB-14 | |
| Disposable | |||
| 0.2 μm syringe filter | Sartorius | 16534-K | |
| 10 mL disposable syringe | Jung Rim | 10ml 21G32 | |
| 10 mL glass vial | Hubena | A0039 | |
| 10 mL Serological pipette tip | SPL lifescience | 91010 | |
| 15 mL conical tube | SPL lifescience | 50015 | |
| 18G plastic needle | Musashi engineering | PN-18G-B | |
| 20G plastic tapered dispense tip | Musashi engineering | TPND-20G-U | |
| 22×50 glass cover | MARIENFIELD | 0101142 | |
| 25 mL Serological pipette tip | SPL lifescience | 90125 | |
| 3 mL disposable syringes | HENKE-JET | 4020-X00V0 | |
| 40 µm cell strainer | Falcon | 352360 | |
| 5 mL Serological pipette tip | SPL lifescience | 91005 | |
| 50 mL conical tube | SPL lifescience | 50050 | |
| 50 mL Serological pipette tip | SPL lifescience | 90150 | |
| 50N precision nozzle | Musashi engineering | HN-0.5ND | |
| Aluminum foil | SINKWANG | ||
| Capillary tips | Gilson | CP1000 | |
| Cell-scrapper | SPL lifescience | 90030 | |
| Confocal dish | SPL lifescience | 200350 | |
| Parafilm | Bemis | PM996 | |
| Pre-coated histology slide | MATSUNAMI | MAS-11 | |
| Reservoir | SPL lifescience | 23050 | |
| T-75 cell culture flask | SPL lifescience | 70075 | |
| Equipment | |||
| 3DX printer | T&R Biofab | ||
| Autoclave | JEIOTECH | AC-12 | |
| Centrifuger | Cyrozen | 1580MGR | |
| Confocal laser microscopy | Olympus Life Science | FV 1000 | |
| Fluorescence microscope | FISHER SCEINTIFIC | O221S366 | |
| Forcep | Korea Ace Scientific | HC.203-30 | |
| Hand tally counter | KTRIO | ||
| Hemocytometer | MARIENFIELD | 0650030 | |
| Incubator | Panasonic | MCO-170AIC | |
| Laminar flow cabinet | DAECHUNG SCIENCE | CB-BMMS C-001 | |
| Metal syringe | IWASHITA engineering | SUS BARREL 10CC | |
| Operating Scissors | Hirose | HC.13-122 | |
| Oven | JEIOTECH | OF-12, H070023 | |
| Positive displacement pipette | GILSON | NJ05652 | |
| Refrigerator | SAMSUNG | CRFD-1141 | |
| Voltex Mixer | DAIHAN scientific | VM-10 | |
| Water bath | DAIHAN SCIENTIFIC | WB-11 | |
| Water purifier | WASSER LAB | DI-GR | |
| Materials | |||
| 0.25 % Trypsin-EDTA | Gibco | 25200-072 | |
| 10x PBS | Intron | IBS-BP007a | |
| 4% Paraformaldehyde | Biosesang | ||
| 70% Ethanol | Daejung | 4018-4410 | |
| Anti-CD31 antibody | Abcam | ab28364 | |
| Anti-HIF-1 alpha antibody | Abcam | ab16066 | |
| Anti-SHMT2/SHMT antibody | Abcam | ab88664 | |
| Anti-SOX2 antibody | Abcam | ab75485 | |
| Bovine Serum Albumin | Thermo scientific | J10857-22 | |
| Collagen from porcine skin | Dalim tissen | PC-001-1g | |
| DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) | Thermofisher | D1306 | |
| Endothelial Cell Growth Medium-2 | Promocell | C22011 | |
| Fetal bovine serum | Gibco | 12483-020 | |
| Goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 | Theromofisher | A-11001 | |
| Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 594 | Theromofisher | A-11012 | |
| High-glucose Dulbecco’s Modified Eagle Medium(DMEM) | Hyclone | SH30243-0 | |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 311413-100ML | |
| Live/dead assay kit | Invitrogen | L3224 | |
| Mouse IgG1, kappa monoclonal [15-6E10A7] – Isotype Control | Abcam | ab170190 | |
| Penicillin/streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
| Phenol red solution | Sigma-Aldrich | P0290-100ML | |
| Poly(ethylene-vinyl acetate) | Poly science | 06108-500 | |
| Polydimethylsiloxane | Dowhitech | sylgard 184 | |
| Rabbit IgG, polyclonal – Isotype Control | Abcam | ab37415 | |
| Sodium hydroxide solution | Samchun | S0610 | |
| Triton X-100 | Biosesang | TRI020-500-50 | |
| Trypan Blue | Sigma-Aldrich | T8154 | |
| Software | |||
| COMSOL Multiphysics 3.5a | COMSOL AB | ||
| IMS beamer | in-house software | ||
| SolidWorks Package | Dassault Systems SolidWorks Corporation | ||
Referências
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