Användning av en linjär Accelerator för att genomföra in vitro-radiobiologi experiment
Summary
Kliniska linjära acceleratorer kan användas för att fastställa biologiska effekter av ett brett spektrum av dospriser på cancerceller. Vi diskuterar hur man ställer in en linjär Accelerator för cellbaserade analyser och analyser för cancer Stem-liknande celler som odlas som tumorspheres i fjädring och cellinjer odlas som anhängare kulturer.
Abstract
Strålbehandling är fortfarande en av hörnstenarna i cancer hanteringen. För de flesta cancerformer, det är den mest effektiva, icke-kirurgisk terapi för att debulk tumörer. Här beskriver vi en metod för att bestråla cancerceller med en linjär Accelerator. Utvecklingen av linjär acceleratorteknik har förbättrat precisionen och effektiviteten i strålbehandling. De biologiska effekterna av ett brett spektrum av stråldoser och dospriser fortsätter att vara ett intensivt undersökningsområde. Användning av linjära acceleratorer kan underlätta dessa studier med kliniskt relevanta doser och dospriser.
Introduction
Strålbehandling är en effektiv behandling för många typer av cancer1,2,3,4. Extra hög dosraten bestrålning är relativt ny i strålbehandling och möjliggörs genom nya tekniska framsteg i linjära acceleratorer5. Kliniska fördelar med extra hög doshastighet jämfört med standard dos frekvens bestrålning inkluderar förkortad behandlingstid och förbättrad patient erfarenhet. Linjära acceleratorer ger också en klinisk inställning för cellkulturbaserade strålningsbiologi studier. De biologiska och terapeutiska konsekvenserna av stråldos och dospriser har varit i fokus för strålning onkologer och biologer i årtionden6,7,8. Men, radiobiologi av extra hög dosraten strålning och blixt bestrålning-en extremt hög doshastighet av strålning-har ännu inte grundligt undersökas.
Gamma ray bestrålning används ofta i cellkultur baserad strålningsbiologi9,10,11. Strålning uppnås genom gammastrålar som avges från sönderruttnande radioaktiva isotoper, typiskt cesium-137. Användningen av radioaktiva källor är starkt reglerad och ofta begränsad. Med källbaserad bestrålning, det är utmanande att testa ett brett spektrum av dospriser, begränsa dess nytta i analysen av de biologiska effekterna av kliniska uppnåeliga dos hastigheter12.
Det har förekommit flera studier som illustrerar både dos-och dos frekvens effekter12,13,14,15,16,17. I dessa studier användes både gammastrålning som genererats från radioaktiva isotoper eller röntgenstrålar från linjära acceleratorer. En mängd olika cellinjer som representerar lungcancer, livmoderhalscancer, glioblastom, och melanom användes. Strålningseffekter på cellöverlevnad, cellcykelarrest, apoptos och DNA-skador utvärderades som avläsning12,13,14,15,16,17 . Här beskriver vi en metod för att definiera de biologiska effekterna av kliniskt relevanta strålningsdoser och dospriser genom att leverera röntgenbaserad strålning med hjälp av en linjär Accelerator. Dessa studier bör utföras med nära samarbete mellan biologen, onkolog strålning och medicinsk fysiker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Strålbehandling är en integrerad del av cancer hanteringen. Pågående insatser syftar till att förbättra strålnings behandlingens effektivitet och effektivitet. Framsteg inom linjär acceleratorteknik har gett möjlighet att behandla patienter med oöverträffad noggrannhet och säkerhet. Eftersom de flesta patienter behandlas med hög energi röntgen från linjära acceleratorer, kan studier som undersöker de biologiska effekterna av ett stort antal dospriser som utförs på linjära acceleratorer lätt applicera…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Cleveland Clinic Institutionen för strålning onkologi för användning av linjära acceleratorer. Vi tackar Dr Jeremy Rich för hans generösa gåva gliom Stem-liknande celler. Denna forskning stöddes av 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).
