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El protocolo describe un método para inyectar células tumorales a través de la vía de punción percutánea en la cisterna magna que induce de forma robusta la metástasis leptomeníngea en ratones, reduciendo el trauma y la carga tumoral extracraneal.
La metástasis leptomeníngea (LM), la diseminación de las células cancerosas a las leptomeninges llenas de líquido cefalorraquídeo (LCR), es una complicación poco frecuente pero devastadora de los tumores sólidos avanzados. Los pacientes con LM a menudo tienen un pronóstico precario, con una supervivencia medida en semanas o meses. El desarrollo de modelos in vivo que reproduzcan con precisión las complejidades de la LM es esencial para comprender sus mecanismos celulares y patológicos y evaluar posibles terapias. Los modelos murinos de LM generalmente se crean a través de la inyección intracardíaca, de la arteria carótida o de la cisterna magna de las células tumorales. Sin embargo, las inyecciones intracardíacas o carotídeas a menudo resultan en una carga sustancial de tumores extracraneales y cerebrales, lo que complica las imágenes bioluminiscentes y conduce a una mortalidad no relacionada con la LM. Mientras tanto, la inyección convencional de cisterna magna requiere procedimientos invasivos, como la incisión en la piel y la disección muscular, lo que la hace traumática y requiere muchos recursos. En este artículo, describimos un procedimiento mínimamente invasivo para la inyección de células tumorales en el espacio leptomeníngeo a través de la cisterna magna sin necesidad de una incisión en la piel. Este enfoque reduce la formación de tumores extracraneales, minimiza el trauma quirúrgico y acorta el tiempo y la atención postoperatoria necesarios en comparación con otros métodos quirúrgicos. Es importante destacar que induce consistentemente LM con una infiltración mínima del parénquima cerebral, como lo confirman la microscopía de dos fotones y el análisis histológico. Este enfoque simplificado ofrece un modelo eficiente y fiable para el estudio de la LM en la investigación preclínica.
La enfermedad metastásica sigue siendo el mayor desafío para los pacientes con cánceres avanzados. La metástasis leptomeníngea (LM) se refiere a la diseminación de las células cancerosas al espacio piamadre, aracnoideo y subaracnoideo. La LM de tumores sólidos es cada vez más frecuente en el cáncer de pulmón (9%-25%), el cáncer de mama (5%-20%) y el melanoma (6%-18%)1,2, en gran medida debido a la mayor supervivencia y a la mejora de las técnicas diagnósticas. Las células cancerosas pueden invadir el espacio leptomeníngeo por múltiples rutas, que incluyen 1) invasión directa a través de estructuras periféricas como la duramadre, el hueso y los nervios; 2) diseminación hematógena a través del sistema venoso; y 3) entrada a través de la circulación arterial, donde las células cancerosas se deslizan a través de los vasos fenestrados hacia el plexo coroideo y posteriormente hacia los ventrículos llenos de líquido cefalorraquídeo 3,4,5. Las células tumorales que ingresan al espacio leptomeníngeo enfrentan múltiples desafíos, incluida la privación de factores de crecimiento, intermedios metabólicos limitados y condiciones hipóxicas6. Sin embargo, debido a la falta de herramientas y técnicas adecuadas, la forma en que las células tumorales navegan por estas vías y superan condiciones inhóspitas para colonizar el espacio leptomeníngeo es poco conocida. A pesar de los avances en las terapias multimodales, como la radioterapia, el tratamiento sistémico y la terapia con inyección intratecal, el pronóstico de los pacientes con LM sigue siendo malo, con una supervivencia que suele oscilar entre 2 y 4 meses 3,7,8,9. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de una comprensión más profunda de la biología de la metástasis leptomeníngea para mejorar los tratamientos actuales y desarrollar nuevas terapias dirigidas. Lograr esto requiere el desarrollo de modelos in vivo que recapitulen las características complejas de LM.
A diferencia de las metástasis en órganos como el hígado, los huesos y el cerebro, la LM suele desarrollarse años después del diagnóstico del tumor primario 10,11,12. De manera similar, en modelos de ratón con metástasis espontáneas, la LM es rara debido a su baja incidencia y al hecho de que los ratones suelen sucumbir a las metástasis en otros sitios. Los modelos experimentales de LM murina se pueden crear a través de varios métodos, incluyendo intracardiaco, arteria intracarótida o, alternativamente, inyección directa en la cisterna magna o ventrículos cerebrales. Si bien la inyección intracardíaca de células cancerosas es ampliamente utilizada9, a menudo resulta en una carga tumoral extracraneal significativa, causando mortalidad no relacionada con la LM. Los abordajes alternativos, como la inyección de células tumorales a través de la arteria carótida13,14, requieren amplios recursos especializados y dan lugar a grandes incisiones quirúrgicas, que son traumáticas. Además, este método también conduce principalmente a la metástasis dentro de los propios tejidos cerebrales, en lugar de leptomeninges, y es lento e ineficiente para establecer modelos de LM15. La inyección en la cisterna magna permite la entrega directa de células tumorales al espacio leptomeníngeo. Varios estudios han utilizado este enfoque para investigar los mecanismos de la LM y evaluar nuevos tratamientos 6,16,17.
En este manuscrito se presenta un conveniente protocolo de inyección trans-cisterna magna que implica una punción percutánea directa para generar de forma rápida y estable una mayor cantidad de ratones con LM. Este método evita la barrera hematoencefálica y, por lo tanto, permite un xenoinjerto eficiente de células tumorales en el espacio de las leptomeninges. También reduce significativamente el trauma quirúrgico y el tiempo del procedimiento, al tiempo que induce de manera confiable la LM en ratones. Confirmamos la aparición de LM con mínima infiltración en el parénquima cerebral, verificada por microscopía de dos fotones y análisis histológico. Por lo tanto, el modelo resultante replica fielmente el complejo microambiente de LM, proporcionando una herramienta valiosa para estudiar los mecanismos celulares y patológicos asociados a la enfermedad y evaluar posibles terapias.
Todos los procedimientos con animales en este manuscrito fueron revisados y aprobados por el Comité de Revisión de Ética y Bienestar Animal de Laboratorio (ZJU20230155) de ZJU. Los ratones C57BL/6J y NSG se obtuvieron y se alojaron en condiciones libres de patógenos específicos en el Centro de Animales de Laboratorio de ZJU. Este protocolo utiliza la línea celular de cáncer de pulmón murino, carcinoma de pulmón de Lewis (LLC1), y la línea celular de cáncer de pulmón humano, A549, ambas marcadas con GFP y luciferasa de luciérnaga. Ambas líneas celulares son amablemente proporcionadas por el Dr. Xiang H. F. Zhang (Baylor College of Medicine, EE.UU.)18. Aquí, usamos celdas LLC1 como ejemplo. El procedimiento para la inyección de células A549 es casi idéntico, excepto que se inyectaron 6 x 104 células A549 en ratones NSG.
1. Preparación de las células cancerosas para la inyección
2. Preparación de ratones
NOTA: En este estudio, se utilizaron ratones machos C57BL/6J, de 6 a 8 semanas de edad.
3. Inyección de cisterna magna
NOTA: Se requieren técnicas asépticas para los siguientes pasos, incluido el uso de equipo de protección personal y guantes estériles.
4. Cuidados posteriores a la inyección
5. Evaluación del crecimiento tumoral leptomeníngeo
La Figura 1 ilustra la ubicación del ratón para la inyección y el sitio de punción desde las vistas lateral y frontal. La Figura 2 muestra imágenes representativas de bioluminiscencia in vivo de animales probados para generar LM a través de diferentes enfoques. Las células LLC1 marcadas con GFP-luciferasa se inyectaron en los animales a través de diferentes rutas, seguidas de imágenes bioluminiscentes. Como se muestra en la Figura 2A, 10 días después de la inyección de magna dentro de la cisterna, la señal bioluminiscente estaba presente en el cerebro del ratón y se distribuyó a lo largo de la médula espinal, lo que indica un injerto exitoso de células tumorales en el espacio leptomeníngeo. Por el contrario, las inyecciones intracarótidas de células tumorales generaron predominantemente metástasis en el parénquima cerebral sin afectación significativa de leptomeninges 21 días después de la inyección (Figura 2B). Para el método de inyección intracardíaca, las imágenes de bioluminiscencia desde la posición supina muestran que la mayoría de las metástasis crecen en los órganos extracraneales (izquierda), y las imágenes desde la vista prona confirmaron que ninguno de los tres ratones desarrolló LM (derecha; Figura 2C). La misma distribución de células tumorales se observó 10 días después de la inyección de cisterna magna de 6 x 104 (10 μL) células A549 marcadas con GFP-luciferasa en ratones NSG (Figura 2D), lo que sugiere que este enfoque genera LM de manera robusta en diferentes cepas de ratones con diferentes líneas celulares.
La Figura 3 muestra imágenes representativas de la tinción histológica e inmunofluorescente de los tejidos cerebrales después de 14 días de inyección de células tumorales a través de la cisterna magna. La tinción con hematoxilina-eosina (H&E) muestra la mayoría de las áreas tumorales localizadas en el espacio leptomeníngeo (Figura 3A). La Figura 3B muestra que la mayoría de las células tumorales marcadas con GFP se agruparon en las meninges y los ventrículos, mientras que las células tumorales en la región del parénquima son en su mayoría células individuales. La Figura 4 presenta imágenes representativas de dos fotones del espacio leptomeníngeo de un ratón con LM. El hueso craneal (azul) se detectó recogiendo la fluorescencia del segundo armónico a 450 nm de emisión con excitación de 900 nm24. La vasculatura (rojo) fue marcada con TRITC-dextrano (70 kDa). Se encontraron células tumorales marcadas con GFP (verde) entre el hueso craneal (azul) y el parénquima cerebral, específicamente dentro de la región leptomeníngea. La figura 5 muestra la presencia de células tumorales marcadas con GFP en la superficie cerebral, visualizadas mediante un microscopio de fluorescencia estereoscópica. En la Tabla 1 se muestra la comparación entre los tres métodos.
Figura 1: Preparación del animal y sitio de punción para la inyección de magna intracisterna. (A) El ratón se coloca en posición prona, con el cuello cubierto por un tubo de centrífuga de 15 mL. La cabeza y la parte inferior de la espalda están aseguradas con cinta adhesiva. La aguja se inserta en un ángulo de 45°-50° en la cisterna magna en el margen inferior mediano. (B) La aguja se inserta en el margen inferior mediano del cráneo occipital posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Imágenes representativas de bioluminiscencia in vivo de ratones que recibieron diferentes métodos de inyección. (A)La señal de bioluminiscencia in vivo de todo el animal después de la inyección de células LLC1 dentro de la cisterna magna. (B) La imagen de bioluminiscencia in vivo de los ratones después de la inyección intracarótida de células LLC1. (C) La señal de bioluminiscencia in vivo de los ratones después de la inyección intracardíaca de células LLC1. El lado izquierdo muestra la vista supina y el lado derecho muestra la vista prona. (D) La imagen de bioluminiscencia de los ratones NSG después de la inyección de células A549 a través de la cisterna magna.a Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Imágenes representativas de la tinción histológica e inmunofluorescente. (A) La tinción representativa de H&E muestra células LLC1 depositadas principalmente en la superficie de las meninges y en los ventrículos. Barra de escala = 25 μm. (B) Imágenes de tinción inmunofluorescente del cerebro portador de tumores LLC1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Imágenes representativas de dos fotones de un ratón con LM. Las células tumorales marcadas con GFP (verde) se encuentran exclusivamente entre el cráneo (azul) y el parénquima cerebral (rojo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Imágenes representativas del microscopio de fluorescencia estereoscópica. (A) Campo visual global del cerebro del ratón bajo el microscopio. (B) Se presentaron células tumorales marcadas con GFP en la superficie del cerebro, que emiten fluorescencia verde. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Duración del procedimiento/min | Incidencia de LM observada 14 días después de la inyección | Tasa de tumores extracraneales | Tasa de tumores grandes de parénquima encefálico | |
Inyección magna intra-cisterna | ~5 | 100% (15/15) | 0 (0/15) | 0 (0/15) |
Inyección intracarótida | ~20 | 0 (0/15) | 100% (15/15) | 100% (15/15) |
Inyección intracardíaca | ~5 | 0 (0/3) | 100% (3/3) | 0(0/3) |
Tabla 1: Comparación de tres métodos de inyección diferentes en cuanto a la duración de la operación, la incidencia de metástasis leptomeníngeas, tumores extracraneales y la tasa de tumores grandes del parénquima cerebral.
La LM es una afección agresiva y mortal. Una vez que las células tumorales hacen metástasis en el espacio lleno de líquido cefalorraquídeo, se diseminan rápidamente por todo el sistema nervioso central25. Estas células se asientan e invaden el cerebro, la médula espinal, los nervios craneales y espinales, lo que en última instancia conduce a un rápido deterioro neurológico yfinalmente a la muerte. Para comprender mejor los mecanismos fisiopatológicos subyacentes y evaluar las posibles estrategias terapéuticas, es crucial desarrollar un modelo in vivo eficiente que recapitule el proceso metastásico y el microambiente circundante en la metástasis leptomeníngea.
Un informe previo ha demostrado que la LM puede ser inducida en modelos murinos mediante la inyección directa de células tumorales en el hemisferio cerebeloso derecho15. Sin embargo, este enfoque a menudo no produce metástasis en la región subfrontal o en la médula espinal distal en algunos sujetos. Un estudio reciente demostró que los tumores derivados de células mutadas de cáncer de pulmón de células pequeñas, cuando se implantan por vía subcutánea, pueden diseminarse espontáneamente al espacio leptomeníngeo después de un período de latencia prolongado14. Tras la expansión in vitro de células tumorales a partir de LM espontánea, los autores establecieron con éxito una sublínea celular capaz de desarrollar LM con una infiltración mínima del parénquima cerebral a través de la inyección intracarótida en la arteria carótida. Si bien este procedimiento capta el curso natural de la diseminación metastásica al espacio leptomeníngeo, es ineficiente y requiere mucho tiempo, ya que la mayoría de los ratones mueren por metástasis en otros órganos antes de que la LM pueda desarrollarse completamente. Además, este abordaje requiere una microcirugía sofisticada, que impone un trauma considerable al sujeto26. Alternativamente, la inyección directa de células tumorales en la cisterna magna resultó en una extensa afectación leptomeníngea, que se asemeja mucho a la condición observada en los pacientes con LM15. Sin embargo, algunos métodos de inyección intracisternal requieren disección de la piel y el músculo, lo que resulta en un traumatismo significativo y un mayor riesgo de infección intracraneal, lo que puede alterar las características fisiopatológicas de la LM.
En este trabajo describimos un método mínimamente invasivo para inyectar células tumorales en la cisterna magna a través de una vía de punción percutánea. A diferencia de otros enfoques quirúrgicos, las inyecciones percutáneas evitan los pasos invasivos, como la incisión en la piel, minimizando así el riesgo de infección. Con un posicionamiento preciso, el procedimiento se puede completar en solo unos minutos, lo que reduce significativamente el tiempo de atención tanto operatoria como postoperatoria. Además, la inyección directa de células tumorales en la cisterna magna mejora el injerto de células tumorales dentro del espacio leptomeníngeo y reduce la incidencia de colonización de órganos extracraneales (Tabla 1).
Hay algunas consideraciones críticas e información de solución de problemas para el protocolo. Aunque esperamos que el procedimiento actual reduzca la necesidad de personal altamente calificado y simplifique todo el proceso, sigue siendo fundamental que el operador identifique con precisión el sitio de punción. Los operadores deben estar familiarizados con la anatomía del ratón, en particular con la fosa craneal posterior y la región cervical, para garantizar un posicionamiento preciso. Si la aguja encuentra una superficie ósea durante la inserción, el sitio de punción puede estar demasiado alto y debe ajustarse hacia abajo de manera adecuada. Para garantizar el éxito de las inyecciones, colocamos y aseguramos a los animales sobre un tubo de centrífuga de 15 ml para exponer completamente el lugar de la inyección. También descubrimos que la jeringa de insulina 31G de 8 mm funciona mejor que la jeringa Hamilton convencional para perforar la cisterna magna. Es probable que esto se deba a que la aguja de la jeringa Hamilton es menos eficaz para penetrar capas gruesas de tejido y proporciona menos control durante la inserción. La profundidad (4 mm) y el ángulo (45°-50°) de inserción de la aguja son cruciales. La profundidad excesiva puede conducir al crecimiento tumoral en el tronco encefálico, mientras que la profundidad insuficiente puede resultar en tumores subcutáneos. Por lo tanto, para minimizar el riesgo de muerte accidental por un aumento repentino de la presión intracraneal, la inyección debe realizarse lo más lentamente posible.
Sin embargo, este protocolo no está exento de limitaciones. A diferencia de los métodos tradicionales, el procedimiento descrito se basa en la posición precisa de los animales y en la retroalimentación sensacional del operador, que introduce un grado de variabilidad. Con un control cuidadoso de la profundidad de inyección y la práctica repetida, se puede lograr una alta tasa de éxito. Otra desventaja importante del procedimiento actual es que evita los primeros pasos de la cascada metastásica y, por lo tanto, no puede recapitular todo el curso de la LM en los pacientes. En general, el procedimiento presentado es técnicamente sencillo y altamente eficiente para establecer modelos murinos de LM, lo que representa una valiosa plataforma preclínica para estudios relacionados con LM.
Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Los autores agradecen a los miembros del laboratorio Zhang por sus valiosas discusiones y asistencia a lo largo de este estudio. W.Z. cuenta con el apoyo de los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Provinciales de Zhejiang (2023QZJH60), el Programa del Fondo de Ciencia para Jóvenes Académicos Distinguidos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (588020-X42306/041) y el fondo inicial del Instituto de Ciencias de la Vida de la Universidad de Zhejiang.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5ml Eppendorf tubes | Biosharp | BS-15-M-S | |
15ml centrifuge tube | LABSELECT | CT-002-15A | |
31G x 8mm insulin syringe(0.3ml) | Promisemed | / | |
Abrasive drill | GLOBALEBIO | GEGZ-AM1 | |
Animal heat mat | woggee | / | |
Cryomold | Supin | SP-AB-7 x 7 x 5 | |
Depilatory creams | Nair | 1.00023E+11 | |
D-Luciferin | Gold Biology | LUCK-1G | |
DMEM | Gibco | C11995500CP | |
FBS | Gibco | 10270-106 | |
IVIS Spectrum | Caliper | / | |
Optimal Cutting Temperature | Sakura | 4583-1 | |
Paraformaldehyde | SCR | 80096618 | |
PBS | Servicebio | G4202-500ML | |
Pen/Strep Amphotericin B | Gibco | 15140122 | |
Shaver | Hipidog | 2103CGMJ3373-GQ22N526 | |
Stereo fluorescence microscope | Olympus | / | |
Straight forceps | Beyotime | FS019 | Need to be autoclaved |
Surgical scissors | Beyotime | FS001 | Need to be autoclaved |
Triangular mouse fixation head piece | Transcend vivoscope | TVS-FDM-027 | |
Tribromoethanol | Macklin | C14432922 | |
TRITC-dextran, MW 70000 | MedChemExpress | HY-158082C | |
Trypsin/EDTA solution | Gibco | 25200056 | |
Two-photon laser scanning microscopy | Olympus | / | |
Vetbond Tissue Adhesives | 3M | 1469SB |
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