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摘要

本协议描述了双能量 ct 和 PET/ct 成像方法在肿瘤成像和疗效评价中的价值。本文阐述了双能量 ct 和 PET/ct 对胃癌腹膜转移的基因调控和靶向治疗的研究方法和结果。

摘要

胃癌在全世界的癌症发病率中仍然是第四, 五年的存活率只有 20%-30%。腹膜转移是胃癌最常见的转移类型, 是预后的决定性因素。预防和控制腹膜转移的发展, 有助于延长胃癌患者的生存期。非侵入性和高效的影像学技术将帮助我们识别腹膜转移的侵袭和转移过程, 并监测肿瘤结节的变化, 以应对治疗。这将使我们能够准确地描述胃癌的发展过程和分子机制。我们最近用双能量 CT (DECT) 和正电子发射断层扫描/计算机断层扫描 (PET/ct) 平台进行了实验, 以检测和监测裸鼠胃肿瘤转移的模型。我们已经表明, 每周连续监测与 DECT 和 PET/CT 可以识别动态变化的腹膜转移。sFRP1-overexpression 在胃癌模型中的作用表现为阳性的放射性表现, 较高的葡萄糖摄取和增强, 而 SUV 的max (标准摄取值) 显示出明显的改变趋势对 TGF-β1抑制剂靶向治疗的反应。在本文中, 我们描述了详细的非侵入性成像程序, 以进行更复杂的研究胃癌腹膜转移使用动物模型, 并提供了代表性的成像结果。利用非侵入性成像技术, 我们应该能够更好地了解肿瘤发生的机制, 监测癌症的生长, 并评估治疗干预对胃癌的影响。

引言

胃癌 (GC) 仍然是第四最常见的恶性肿瘤, 也是全球癌症死亡率的第二大原因1。虽然胃癌的诊断和治疗的准确性有了很大的提高, 但腹膜转移是胃癌预后和复发的最关键因素, 是术后死亡的决定性指标2。人们普遍认为腹膜传播是一种危及生命的转移方式, 其中, 一旦建立腹膜播散, 疾病就无法控制, 病人的预后较差。因此, 胃癌腹膜转移的检测和疗效评价是临床应用的关键。

胃癌发病率和死亡率的上升促使研究人员识别其分子机制。高表达的基因, 如分泌的卷曲相关蛋白 1 (sFRP1) 可能导致激活的信号通路在早期阶段的胃癌, 促进肿瘤的生长, 增殖, 分化和凋亡的过程中3,4,5,6,7. sFRP1-overexpression 细胞显示 TGFβ的表达增加, 其下游目标, 和 TGFβ介导的急诊室8。以往的研究表明, TGF-β1水平与腹膜转移和胃癌 TNM 分期相关。我们描述了 sFRP1 过度表达和 TGF-β1抑制的癌细胞增殖的变化, 并建立了腹膜转移的动物模型, 以显示肿瘤在基因调控作用下的影像表现。

动物模型的胃癌是必不可少的工具, 研究肿瘤的发展和试验的各种治疗策略, 而不必牺牲动物。动物模型在研究肿瘤和起源细胞的形成机制、确定肿瘤干细胞的存在以及研究各种新的治疗策略方面证明是有用的。因此, 实时无创技术可以准确描述胃肿瘤的发展和治疗的肿瘤反应, 从而确定裸鼠腹膜转移结节的发展, 并监测肿瘤反应的各种实验和治疗干预。

目前, 多探测器 CT (MDCT) 在胃癌 TNM 分期中起着重要作用, 对预测肿瘤切除术后9有一定的参考价值。然而, 经病理证实的胃癌患者的影像学研究主要基于形态学。DECT 成像扩展参数, 以反映功能信息, 提供单色图像, 并可能有助于提高 N 分期准确性胃癌。此外, 这项技术将有助于获得材料分解图像, 这可能有助于区分分化和未分化的胃癌, 并之间转移和非转移淋巴结10.随着 DECT 的引入, CT 的功能成像方面也被添加到临床应用中, 有助于评价疗效和预测患者预后11,12,13。PET/CT 是一种有用的成像技术的检测和分期胃癌, 并能评估复发的肿瘤有效14。肿瘤细胞增殖和血管生成都被认为是必要的, 在开发一个可检测的肿瘤15, 肿瘤结节显示了一个积极的性能与更高的 SUVmax的 PET/CT. 基于对好氧的偏好糖酵解, 18F-葡萄糖的模拟, 已被利用作为一个有希望的示踪剂的诊断恶性肿瘤, 结合 PET/CT16。这种方法依赖于肿瘤组织的快速葡萄糖消耗, 并具有广泛的临床应用, 包括协助检测、分期和评估肿瘤的预后, 以及监测肿瘤对治疗的反应17,18. 由于非侵入性的方法, DECT 和 PET/CT 已被用于诊断恶性肿瘤和评估肿瘤对各种疗法的反应。

我们的小组一直使用这种非侵入性成像方法与 DECT 和 PET/CT 扫描仪, 以检测和监测的过程中的肿瘤生长和转移的活鼠19。我们探讨了 sFRP1-overexpression 诱导的胃癌细胞的影像学表现在体内使用裸鼠, 与 DECT 和 PET/CT, 并描述了 SUVmax值的变化后, TGF-β1抑制剂的靶向治疗, 以确认研究了基因诱导后腹膜肿瘤结节的发展, 并对实验性治疗中肿瘤结节的变化进行了探讨。本文对小鼠胃肿瘤腹膜转移的建模、DECT 和 PET/CT 的检测与监测提供了详细的方法。

研究方案

这项工作是严格按照上海交通大学实验动物保护和使用指南所制定的标准进行的, 并获得瑞金医院实验室动物伦理委员会批准。

1. 胃癌腹膜转移动物模型

  1. 将一个适度分化的 SGC-7901 人胃癌细胞系分为 SGC-7901/sFRP1 组和 SGC-7901/vector 组。培养两组细胞分别在 RPMI 1640 补充10% 胎牛血清, 100 单位/毫升链霉素, 和100µg/毫升青霉素在37° c 的湿化气氛与 5% CO2。
  2. 使用4-6 周老的女性裸 balb/c/c 裸鼠与体重25至 30 g. 在动物设施中的特定无病原体条件下放置动物。
  3. 将小鼠随机分为 sFPR1 过度表达组和 sFPR1 空负荷组。
    注: 每组有十裸鼠;二十只小鼠随机分为 TGF-β1治疗组和 TGF-β1对照组, 每只动物笼有多达5只裸鼠。
  4. 建立 sFPR1-overexpression 腹膜转移移植模型组, 通过管理150µL (2 x 106细胞/毫升) 通过腹腔 SGC-7901/sFRP1 细胞的悬浮;SGC-7901/vector 单元被管理以建立空加载组。
    注意: 使用例计数方法确定单元格的浓度20。
  5. 建立腹膜转移移植模型组通过管理150µL (2 x 106细胞/毫升) 悬浮 SGC-7901 细胞通过腹腔。管理的目标治疗 TGF-β1抑制剂 SB431542 后两个星期的增长, 经腹腔注射100µL/10 克体重每隔一天对小鼠的治疗组。
    1. 对对照组的小鼠进行生理盐水的相同剂量管理。
  6. 执行 DECT 和 PET/CT 扫描1天前治疗和1天, 7 天, 14 天, 和21天后治疗。

2. 腹膜转移动物模型的 DECT

注: 在双能量 CT 扫描仪上实现了动物成像实验 (见材料表)。根据前人的研究, 我们建立了相关的 DECT 成像协议。

  1. DECT 成像协议的设置
    1. 在映像控制台计算机上, 选择 "协议管理" 图标进入下一个接口, 然后单击 "协议管理" 选项以查看协议管理屏幕。
    2. 在 "用户协议" 界面中, 选择腹部区域进入腹部协议列表。
    3. 单击协议列表中的空白区域, 然后选择 "新建" 按钮以键入新协议的名称: "动物 DECT 扫描"。按键盘上的 "Enter" 键, 然后在弹出窗口中选择 "侦察" 按钮, 单击 "确定" 以设置侦察系列 (第一个系列)。
    4. 选择 "XY" 模式的 "解剖参考点" 和 "头第一仰卧位" 的 ' 病人方向 '。单击 "自动转移" 选项, 然后选择要上载图像系列的工作站位置。在系列描述中命名 "侦察阶段"。
    5. 在 "查看编辑" 屏幕中, 确保相关的扫描参数设置如下: 开始位置 "和" 结束位置 "选项分别设置在" S50 "和" I50 "," KV "在" 100 "," mA "在" 80 "," 90 ° "为" 横向侦察位置 "," 0 ° "为" AP 侦察位置", 和" 侦察员 WW "在" 400/40 "。
    6. 接下来, 创建非增强扫描的第二个系列。点击 "创建新系列", 在弹出窗口中选择 "轴向" 和 "创建后" 图标。
    7. 将系列命名为 "-c 阶段", 并打开 "显示本地化"。在扫描类型接口中, 选择 "螺旋" 扫描类型和 0.5 s 为 "旋转时间", 单击 "粗速度" 选项设置参数 (探测器覆盖范围在40毫米, 螺旋厚度在0.625 毫米, 音高和速度在 0.516:1/20.62, 旋转时间在0.5 秒) 在弹出窗口, 间隔在0.625 毫米, 龙门乳头在 0, SFOV 选择小体, kV 在 100, 点击 "ma" 然后键入600为手动 ma。
    8. 点击 "侦察参数" 图标, 打开 "侦察选项" 弹出窗口。在侦察模式中选择 "加号";单击 "切片" 图标, 在 "ASiR 安装屏幕" 中选择 "ss50 切片 50%" 模式。设置其余参数如下: DFOV 在25厘米, R/L 和一个/P 中心在0厘米, 侦察类型选择 "Stnd", 矩阵大小在512。
    9. 通过重复步骤2.1.8 为增强扫描创建第三个扫描系列, 将其命名为 "+ C QC 阶段" 并打开 "显示定位器";第一组是动脉相系列的设置。
    10. 在 "扫描类型" 界面中, 点击 "(宝石光谱成像)", 并选择 "螺旋" 扫描类型, 选择协议 "GSI-52" 在 ' 腹式预置选择 ' 窗口。根据非增强扫描设置起始位置和结束位置。
      1. 点击 "侦察参数" 图标, 打开 "侦察选项" 弹出窗口。在侦察模式中, 选择 "加号", 然后在 "选项" 中单击 "QC";其余参数与步骤2.1.8 相同。
    11. 单击 "R2" 图标, 并在 "启用侦察" 选项卡中选择 "是". 选择 "厚度" 在0.625 和类型0.625 为 "间隔"。打开 "侦察选项" 弹出窗口, 在侦察模式选择 "加号";在 "选择" 选项中, 单击 "单声道" 并将凯文设置为70凯文;在 ASiR 设置窗口中, 选择 "GS40 40%" 模式用于 ASiR 安装。其余参数设置为步骤2.1.8。将此步骤命名为 "+ C 70keV 阶段"。
    12. 单击 "R3" 图标, 并在 "启用侦察" 选项卡中选择 "是". 将 "厚度" 设置为 1.25, 类型0.625 为 "间隔"。打开 "侦察选项" 弹出窗口, 在侦察模式中选择 "加号" 和 "IQ 增强";在 "单声道" 选项中, 单击 "单音", 将凯文设置为70凯文, 然后点击 "数据文件";确保 ASiR 安装符合步骤13。其余参数设置为步骤2.1.8。将其命名为 "+ C 单阶段"。
    13. 单击 "添加组" 以创建两个扫描组, 分别表示门户阶段和延迟阶段。确保每个扫描阶段的 "起始位置" 和 "结束位置" 范围一致, 其余参数与动脉阶段相同。在 "准备组" 中键入延迟时间: 第一组 (动脉阶段) 在0秒, 第二组 (门阶段) 在8秒, 第三组 (延迟阶段) 在十六年代。
    14. 在完成所有设置后, 单击 "接受" 选项以保存协议。
  2. DECT 成像过程
    1. 在每次扫描前随机从治疗和对照组中选择裸鼠。将选定的动物置于新的笼子中, 并分别标记它们。
    2. 用清水将小鼠快速带入4小时, 但没有食物或被褥。
    3. 在扫描前1小时将实验小鼠从动物实验中心移走, 并确保在扫描开始之前将老鼠置于一个新的温暖环境中。
    4. 麻醉所有实验小鼠腹腔注射2.5% 戊巴比妥钠 (1.0 毫升/千克体重) 前 DECT 扫描成像, 并确认麻醉深度的脚趾捏反射。在麻醉的时候用眼药膏来防止干燥。
      注: 在注射药物时, 确保每个裸鼠头部处于较低位置, 从而减少对内脏器官的损伤。注意注射部位和注射深度。将注射器的尖端放在45°角, 放在右/左下腹内, 并确保针的深度是这样, 以避免注射到肠道和其他器官。
    5. 单击 "新患者" 图标, 输入有关鼠标的基本信息, 包括其患者 ID 和名称。在 "用户协议" 中, 单击 "腹部协议" 并选择 "动物 DECT 扫描" 协议进入操作界面。
    6. 一旦引起麻醉, 将每个鼠标移动到一个动物夹具平台的仰卧位, 并修复它的尾巴与磁带, 以确保它不弯曲。用酒精对尾部进行消毒, 随后将造影剂注入尾部静脉。
    7. 移动 CT 扫描床, 使外部定位线激光位于动物的下腹部。当定位完成时, 单击 "重置" 按钮。
      注意: 在动物的下腹部放置外部定位线, 确保动物尽可能地位于机器的外部, 便于造影剂的管理进入尾部静脉。
    8. 单击 "确认" 图标, 并按照键盘上按钮的闪烁顺序完成侦察扫描。在完成侦察扫描后, 选择 "下一序列" 图标, 并输入用于非增强扫描的界面。
    9. 在右屏幕上, 设置 "开始位置" 和 "结束位置" 的侦察员视图, 以定义扫描范围。在 "横向侦察" 和 "AP 侦察" 中保持相同的范围, 并覆盖整个动物的身体体积。
    10. 单击 "确认" 图标, 并按照键盘上按钮的闪烁顺序完成侦察扫描。
    11. 通过尾静脉注射每只帕 0.2 mL/100 g 的小鼠。
      注: 我们选择手动管理对比剂, 保持注塑速度尽可能稳定。这是最有利于捕捉早期增强肿瘤在成像。
    12. 单击 "下一系列" 以执行增强扫描。根据非增强扫描设置 "开始位置" 和 "结束位置"。单击 "确认" 图标, 并按照键盘上按钮的闪烁顺序完成动态增强扫描、includingarterial 阶段、门户阶段和延迟阶段。
      注: 在注射造影剂后立即单击 "确认" 图标开始扫描。这对于增强扫描以确保捕获动脉相的最佳图像至关重要。但是, 单击 "确认" 图标后的一些延迟时间可以确保实验人员从扫描室安全地撤回。
    13. 点击 "结束考试", 在扫描完成后退出扫描界面;图像系列将自动上载到工作站。
    14. 完成扫描后, 将动物放到一个空笼子里, 观察它们, 直到它们恢复知觉。不要让动物无人看管, 直到它恢复了足够的意识来维持胸骨卧床。然后把老鼠转移到一个干净的动物房间。
  3. 后 DECT 成像分析
    1. 在 DECT workstationinterface 上找到鼠标系列 (请参阅材料表) 并选择 "+ C 单阶段" 系列列表。打开 "加密卷查看器", 并从 "协议管理器" 接口中选择 "一般" 协议。
    2. 单击图像视左上角的 "视图类型" 活动注释, 然后从下拉菜单中选择 "日冕" 方向。
    3. 对于一个图像视区, 单击左上角的 "卷 1" 活动注释, 然后从下拉菜单中选择 "单声道" 卷。同样, 在另一个图像视区中, 选择 "碘 (水)" 卷。单击并按住鼠标左键, 将 "碘 (水)" 视区中的图像拖动到 "单声道", 并检查 "混合视图" 框以获得颜色融合图像。
    4. 单击并从 "图像滚动" 图标的中心拖动以观察图像。将显示阳性结果的图像保存为彩色融合图像。

3. PET/CT 在腹膜转移动物模型中的研究

注: 见所用的 PET/CT 成像仪的材料表。我们根据本文21创建了相关的 PET/CT 成像协议。

  1. 设置微 PET/CT 成像协议
    1. 对于全身 CT 扫描, 设置电流在500µA, 电压在80伏, 曝光时间为200毫秒, 240 步为240旋转。对于 x 射线探测器, 选择分辨率在 "低系统放大" 与78毫米轴向成像场和单人床模式。采用 "普通锥梁重构" 方法, 选择 "实时重建" 选项, 使上位机能够与专用的实时重建计算机 (眼镜蛇) 连接, 启动任务。
    2. 对于 PET 的采集, 在 "获取时间" 选项设置 "固定扫描时间" 到 600s (10 分钟)。设置 "研究同位素" 到 F-18 和 "能量水平" 到350-650 凯文。
    3. 为了生成 PET 直方图, 将 "动态帧" 设置为 "黑色", 以便在整个持续时间内将数据作为一个帧来处理, 以实现静态扫描。将直方图类型设置为 "3D", 并选择 "无散射校正" 选项。
    4. 对于 pet 重建, 使用 OSEM3D 算法重建图像, 然后是由 PET/CT workstationsoftware 提供的地图或快速映射22 (请参阅材料表)。
  2. PET/CT 成像前的制备
    1. 快速进行4小时 DECT 实验的小鼠, 在成像前30分钟将小鼠转移到新的动物笼中。
    2. 称量小鼠并记录它们的重量。
    3. 按照研究所的安全程序获取和携带含有放射性物质 (RAM) 的包裹。使用防护罩进行18f-葡萄糖 (5 mCi), 并用剂量校验仪测量总的18f-葡萄糖的放射性。
    4. 用生理盐水稀释18F-葡萄糖对小鼠注射液的适当放射性。
      注: 18F-葡萄糖的稀释活性应为每只老鼠提供100-200 µCi/100 µL。
      1. 绘制200µL 18F-葡萄糖溶液成1毫升注射器。用剂量校验仪测量整个注射器的放射性, 并记录18F-葡萄糖的准备时间。
    5. 使用200µL 18f-葡萄糖溶液通过尾部静脉注射路径注入每个鼠标, 并记录18f-葡萄糖注射液时间。注射完所有小鼠后, 立即用剂量校验仪测量注射器的残余放射性, 记录注射完成后测量的时间。
    6. 按以下公式计算每个鼠标的插入的18F-葡萄糖活性: 注射活性 (µCi) = 注射前注射器活性在注射器注入后的活性。
  3. PET/CT 成像过程
    1. 将动物放入麻醉诱导室;麻醉小鼠使用吸入3% 异氟醚在氧后完成了18F-葡萄糖注射液。
      注意: 遵照所有动物福利准则进行操作;使用加热垫使小鼠保持温暖。用眼药膏预防麻醉时的干燥。
    2. 一旦引起麻醉, 将鼠标移动到微 CT 扫描床上, 同时保持持续的麻醉和变暖。将鼠标的头部放在一个锥面掩模内, 在氧气中连续输送异氟醚 (2%), 流速为2升/分. 将鼠标放在仰卧位, 以确保其姿态与 DECT 扫描中的姿势一致。
    3. 把动物移到宠物/CT 扫描仪的入口处, 单击工具栏查看器中的 "激光" 图标, 并使用触摸板控制界面移动床, 使鼠标的腹部位于 PET 和 CT 场的中心 (视) 扫描过程中。在 "激光对准" 窗口中, 选择 "第一扫描类型" 作为 "CT 扫描", "工作流中包含的 PET 捕获" 作为选择。
    4. 打开 "侦察员视图" 窗口, 并获得一个侦察兵查看 X 射线照相。调整动物床的位置, 使 CT 的中心视野位于鼠标身体的中心。
    5. 选择以前建立的协议 (在步骤3.1 中)。在弹出窗口中输入要映像的鼠标数 (先后), 然后单击 "设置" 选项, 然后输入权重。然后再次单击 "安装" 选项, 然后按照弹出窗口说明完成安装。
    6. 单击 "启动工作流" 图标开始扫描。
    7. 在所有扫描完成后, 评估获得的 CT 和 PET 图像的质量。将数据通过网络传送到后成像分析中进行进一步的研究。
      注意: 调整图像的窗口宽度和窗口级别, 以确保正确显示各器官的对比度。检查图像中各器官的分辨率, 确认成像质量。
    8. 将动物从成像仪中取出, 立即安乐颈椎脱位。连续使用下一动物的成像系统。
  4. 后 PET/CT 成像分析
    1. 打开 pet/ct 工作站软件, 将 ct 和 pet 图像系列数据导入软件中。在 "注册" 窗口中, 单击 "一般分析" 选项, 将 ct 和 pet 图像进行注册, 并在 "查看" 窗口下选择 "天空" 模型, 以显示 ct 和 pet 图像之间的完美匹配。
    2. 在 "感兴趣区域 (ROI) 量化" 窗口中, 通过 co 注册图像提供的参考来识别腹膜结节。
    3. 在 "感兴趣区域 (roi) 量化" 窗口中, 用工具在熔融图像上绘制 roi, 编辑 roi 的大小和形状, 记录 SUV 的max值, 然后输出并保存所选的合并图像。

结果

在两周的细胞线注射后, 对裸鼠进行了 DECT 和 PET/CT 扫描。影像学图像在 sFRP1 过度表达组的腹部轮廓外显示皮下转移, 并通过彩色比例图像 (图 1-c) 进行外周增强的转移, 取得了良好的效果。PET/CT 图像描述局部异常葡萄糖摄取转移, 包括在腹膜和皮下转移 (图 1d)。DECT 和 PET/CT 图像上显示的腹膜转移和大皮...

讨论

动物模型在胃癌的分子机制研究中得到了广泛的应用, 并尝试了各种治疗策略23,24,25。在这项研究中, 我们描述了一个详细的协议, 胃癌腹膜转移裸鼠模型, 使用 DECT 和 PET/CT 图像胃肿瘤实时识别肿瘤细胞增殖, 并监测腹膜转移和胃癌动物模型的治疗干预反应。这种方法可以使参与研究胃癌的分子机制的研究人员, 或实验成像肿瘤, ...

披露声明

作者没有利益冲突声明。

致谢

这项工作得到了自然科学基金 (No。U1532107) 与上海交通大学生物医学工程项目 (No。YG2014MS53)。作者感谢叶剑英李和燕神对 DECT 和 PET/CT 成像方法的有益评价和技术支持。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
IohexolBEJING BEILU PHARMACEUTICAL CO,LTDNMPN:H20053800non-ionic contrast medium for DECT scan
normal salineHUNAN KELUN PHARMACEUTICAL CO,LTDNMPN:H43020455placebo of control group
BALB/c nude mice SLAC LABORATORY ANIMALBALB/cASlac-nuanimal model
SGC-7901  cellsLibrary of typical culture of Chinese academy of sciencesTCHu 46gastric cancer cell 
SB431542SelleckNo.S1067TGF-β1 inhibitor
GE Discovery CT750 HDGE Healthcaredual-energy spectral CT scanner 
AW Volumeshare5GE Healthcaredual-energy spectral CT workstation
Siemens Inveon micro-PET/CTSiemens Preclinical Solutionpositron emission tomography/
computed tomography scanner 
Inveon Acquisition WorkplaceSiemens Preclinical SolutionPET-CT workstation

参考文献

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