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Method Article
Se obtuvieron imágenes cuantitativas de mapas cuantitativos de oxígeno en 3D de tumores murinos de forma no invasiva mediante resonancia paramagnética de electrones de pulso. Para la anatomía y la estructura vascular se utilizaron el ultrasonido en modo B y el Doppler de potencia. Las imágenes de ambas modalidades se superpusieron para el análisis tumoral multiparamétrico.
La medición precisa y en tiempo real de la presión parcial de oxígeno (pO2) aporta información valiosa en muchas patologías, incluido el cáncer. La pO2 baja del tumor (es decir, hipoxia) se relaciona con la agresividad del tumor y la mala respuesta al tratamiento. La cuantificación de lapO2 tumoral permite evaluar la efectividad del tratamiento. La resonancia paramagnética electrónica (EPRI), en particular el EPRI de pulso, se ha convertido en un método tridimensional (3D) avanzado para evaluar la oxigenación de los tejidos in vivo. Esta innovación ha sido posible gracias a los desarrollos tecnológicos en EPR (Resonancia Paramagnética Electrónica) y a la aplicación de las sondas de espín oximétrico solubles en agua de la familia triarilo, que ofrecen datos de oxigenación rápidos y sensibles. El tiempo de relajación de la sonda de espín (T1 y/o T2) proporciona información precisa sobrepO2 en vóxeles seleccionados.
Los tumores de glioblastoma humano LN229 se cultivaron en la almohadilla de moda interescapular de ratones desnudos BALB/c. Se utilizaron imágenes ecográficas (US) como referencia para la información anatómica del tumor. Para obtener imágenes de tejido pO2, los animales se colocaron en una posición fija en el lecho del animal con fiduciales, lo que permitió el registro entre las modalidades de imagen. Después de la administración del agente de contraste OX071, se realizó EPRI, seguido de un modo B de EE. UU. Debido a la baja toxicidad de la sonda de espín, el procedimiento se puede repetir durante el crecimiento o el tratamiento del tumor. Después de la imagen, el proceso de registro se llevó a cabo utilizando software escrito en MATLAB. En última instancia, se puede calcular la fracción hipóxica para un tumor específico y se puede comparar el histograma de la distribución tisular depO2 a lo largo del tiempo. El EPRI combinado con el ultrasonido es una excelente herramienta para el mapeo de oxígeno de tumores en el entorno preclínico.
La comprensión del microambiente tumoral (TME), con sus complejas interacciones espaciales y dinámicas, aporta una comprensión más completa de la biología tumoral. La hipoxia, o niveles bajos de oxígeno, es el componente clave de la EMT y desempeña un papel fundamental en el desarrollo de otras afecciones potencialmente mortales, como enfermedades cardiovasculares, trastornos metabólicos como la diabetes y enfermedad renal crónica 1,2,3. La oxigenación de los tejidos es un factor fundamental, especialmente en el contexto del cáncer, donde la presión parcial de oxígeno en los tejidos (pO2) se correlaciona con la resistencia a la terapia. Un nivel depO2 superior a 10 mm Hg se asocia con un aumento de la eficacia de la radioterapia de baja transferencia de energía lineal (LET) (efecto de mejora del oxígeno).
Estudios recientes en los que se ha realizado la Resonancia Paramagnética Electrónica (EPRI) han demostrado que la radioterapia guiada por oxígeno puede duplicar las tasas de supervivencia en diferentes cánceres en modelos murinos 4,5. Esto es similar a los sujetos humanos cuyo tumor pO2 se midió con múltiples mediciones de electrodos Eppendorf y se encontró que tenía valores medios o medios de pO2 por debajo de 10 o6. Además de la radioterapia, la hipoxia tumoral se ha correlacionado directamente con la agresividad tumoral y el resultado de otras terapias, como la inmunoterapia 7,8. Esta asociación subraya la importancia de las mediciones precisas de oxígeno para mejorar los resultados terapéuticos y comprender la fisiopatología de las enfermedades.
La oximetría in vivo óptima requiere una medición directa de la presión parcial de oxígeno en los tejidos, independientemente de factores como la perfusión tisular y la saturación de hemoglobina. El procedimiento debe ser no invasivo, con un tiempo de imagen breve y preciso para evitar posibles impactos en el organismo, como anestesia prolongada, alteraciones en la temperatura de los tejidos o cambios significativos en la presión y el pH de los tejidos. La oximetría tisular debe exhibir una alta precisión y confiabilidad, asegurando mediciones consistentes independientemente de las variaciones en el microambiente tisular, incluidas las diferencias en el pH y el estado redox. Para una planificación eficaz de la terapia, la reconstrucción de datos de imágenes en tiempo real y la interpretación sencilla son cruciales. Esto implica no solo lograr una resolución espacial preferiblemente inferior a 1 mm, sino también permitir una rápida recopilación de datos para monitorear los cambios dinámicos en el estado de oxígeno de los tejidos, como la hipoxia cíclica.
En este contexto, se han desarrollado varias técnicas para medir el oxígeno molecular o evaluar la hipoxia, cada una con una aplicabilidad y ventajas únicas. El electrodo de platino, considerado el "estándar de oro" para la oximetría de tejidos celulares y animales vivos, ofrece mediciones consistentes a través de una inserción precisa en los tejidos. Otros enfoques, como los métodos ópticos que utilizan sondas fluorescentes, la fotoacústica, el seguimiento de los efectos de la hipoxia a través de la expresión de genes o proteínas, o los ensayos de cometas, son fáciles de usar, pero son indirectos o están limitados por la trayectoria óptica en los tejidos. Las alternativas prometedoras para evaluar la hipoxia y/o la oxigenación parecen ser la resonancia magnética (RMN)-OE-RMN10 -- o MOBILE11, la tomografía por emisión de positrones (PET) con varias sondas sensibles a la hipoxia12, o la resonancia paramagnética electrónica (EPR).
La RAP tiene una larga trayectoria en el campo de la biomedicina. El fenómeno en sí fue reportado por primera vez en 1944 y fue ampliamente adoptado como una herramienta para el análisis de estructuras químicas y, más recientemente, para sistemas biológicos y materiales con electrones desapareados13. La espectroscopia EPR se ha utilizado para estudiar la dinámica y estructura de sistemas biológicos como la fotosíntesis, las metaloproteínas, las enzimas radicales y las membranas de fosfolípidos 14,15,16. La espectroscopia y la tomografía de resonancia paramagnética electrónica (EPR) han surgido como métodos no invasivos fundamentales para estudiar la oxigenación tumoral y el microambiente con una resolución espacial de ~ 1 mm, una resolución temporal de 1-10 min y una resolución depO2 de 1-3 torr 5,17,18.
Los métodos EPR de onda continua (CW) siguen siendo ampliamente utilizados en la mayoría de las aplicaciones debido a la simplicidad de registro e interpretación de los espectros. Las interacciones de la sonda de espín de oxígeno funcionan evaluando las alteraciones en la intensidad de la señal EPR o la forma de la línea, proporcionando información sobre los niveles de oxígeno dentro de la muestra. CW EPR tiene una ventaja notable en la sensibilidad a un rango más amplio depO2 en comparación con los métodos de pulso. Mediante la aplicación de varias secuencias de pulsos, se puede dilucidar información como los tiempos de relajación del espín-espín de los electrones, los tiempos de relajación del espín-red y las interacciones con los espines vecinos18,19. Las técnicas de EPR de pulsos, como la recuperación de inversión con lectura de eco de espín electrónico (IRESE), miden las tasas de relajación de la red de espín, evitando la relajación del artefacto causada por la relajación de la sonda de espín a bajas concentraciones de oxígeno19,20. La EPR se puede utilizar para monitorear los cambios en la concentración de oxígeno con alta resolución temporal y espacial; sin embargo, en oximetría a altas concentraciones de oxígeno, el pulso EPR enfrenta limitaciones debido a los cortos tiempos de relajación de la magnetización transversal medidos con eco de espín electrónico (ESE). En última instancia, CW y EPR de pulso son complementarios, y una comprensión confiable del sistema de espín requiere la aplicación de ambos métodos.
Las técnicas de oximetría EPR se basan en la relación lineal entre los niveles de oxígeno y la red de espín, así como en las tasas de relajación de espín-espín en la solución. Todas las sondas oximétricas a menudo se dividen en dos tipos: sondas de espín solubles y de partículas. La elección de la sonda de espín correcta depende de la configuración experimental y de la información necesaria 21,22,23. Las sondas de espín solubles, como los nitroóxidos o los derivados de tritilo 24,25 como OX063 y su forma deuterada OX071, distribuidas por todo el tejido, proporcionan información de todo el volumen. Alternativamente, para la medición de un solo punto y para evaluaciones de oxígeno prolongadas y recurrentes, se pueden utilizar sondas de estado sólido como LiPc, LiBuO o derivados de carbono (ver Tabla 1)22,23,26.
La ecografía en modo B se utiliza ampliamente en la clínica para la obtención de imágenes de tejidos blandos. La resolución depende de la frecuencia del transductor utilizada, y para estudios preclínicos, 18 MHz y superior proporcionan suficiente resolución en el plano y la profundidad de la imagen. Una ventaja adicional de la ecografía es la posibilidad de obtener imágenes de la vasculatura funcional utilizando el modo Power Doppler. Aquí, presentamos imágenes de oxígeno por resonancia paramagnética electrónica (EPROI) como un método para generar mapas de oxígeno en 3D de tumores en ratones vivos. La ecografía correspondiente permite la referencia anatómica necesaria para la definición del tumor dentro de EPROI. Es posible realizar varias sesiones de diagnóstico por imágenes para cada animal. El último paso es el análisis, que incluye la reconstrucción de la imagen y el registro entre las modalidades para obtener un histograma depO2 a partir del volumen tumoral.
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Los ratones se obtuvieron de un centro de cría de animales aprobado y todos los experimentos se llevaron a cabo de acuerdo con las pautas éticas (en nuestro caso, Permiso n.º 165/2023, Primer Comité de Ética Local, Cracovia, Polonia).
1. Animales y línea tumoral
NOTA: Los ratones se alojaron en condiciones estándar de laboratorio: Claro/oscuro: 12 h/12 h, humedad: 60%, temperatura: 23 °C. Se les proporcionó una dieta estándar de comida con acceso gratuito a agua potable en jaulas comunitarias.
2. Imágenes Doppler US
En la figura 1 se muestra la cronología general de las imágenes tumorales. La ecografía se utiliza tanto para la obtención de imágenes de vasculatura por Doppler US como para la ecografía de anatomía como referencia justo antes de EPROI (Figura 2). La imagen anatómica en modo B es esencial para el análisis de la oxigenación tumoral mediante EPR y se describe en la sección 3. Si bien la ecografía Doppler (sección 2) no es obligatoria para el éxito del registro, proporciona información valiosa sobre la ventana de tiempo óptima para el estudio EPR y permite determinar la vasculatura activa en el área tumoral.
3. EPROI
4. Análisis de datos
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En la Figura 5 se muestra una sección transversal representativa de la imagen ecográfica de un tumor LN229 que crece en la almohadilla de grasa intraescapular, junto con la vasculatura. Se observa algo de vasculatura fuera del borde del tumor. Inesperadamente, el porcentaje del volumen de la vasculatura tumoral no disminuyó y se mantuvo estable con el crecimiento tumoral.
Como se describe en la Figura 2
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Hay algunos pasos críticos en el protocolo de imágenes descrito. En primer lugar, para registrar las imágenes de la anatomía con los mapas de oxígeno, la resonancia magnética podría ser una mejor opción que la ecografía debido a su mejor resolución y a la capacidad de proporcionar datos detallados en 3D19. La ecografía con un transductor de alta frecuencia proporciona una excelente resolución y una profundidad de imagen suficiente para los estudios pre...
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El profesor H. Halpern y B. Epel son cofundadores de O2M Technologies. Los otros autores: G. Dziurman, A. Bienia, A. Murzyn, B. Płóciennik, J. Kozik, G. Szewczyk, M. Szczygieł, M. Krzykawska-Serda y M. Elas no tienen conflictos de intereses que declarar.
Agradecemos a O2M Technology por su amable soporte técnico. Se reconocen las subvenciones del Centro Nacional de Ciencias de Polonia n.º 2020/37/B/NZ4/01313 (generador de imágenes Jiva-25) y NCBiR: ENM3/IV/18/RXnanoBRAIN/2022 (costes animales). La compra de ultrasonido VevoF2 ha sido apoyada por la Facultad de Bioquímica, Biofísica y Biotecnología en el marco de la Iniciativa de Excelencia del Programa Estratégico de la Universidad Jagellónica.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
aqua pro injectione | Polpharma | 1280610 | - |
ArbuzGUI | O2M Technologies | - | accesible in the github repository |
disodium phosphate | POCH S.A. | 799280115 | - |
Dulbecco′s Modified Eagle′s Medium - high glucose | Merck Life Science | D5648 | 4500 mg/L glucose and L-glutamine |
fetal bovine serum | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 10500064 | - |
fishing wire | Good Fish | A-55A-035 | US position marker - 0.35 mm |
Geltrex | Gibco, Thermo Fisher Scientific | A1413302 | reduced growth factor basement membrane matrix |
ibGUI | O2M Technologies | - | accesible in the github repository |
injectio natrii chlorati isotonica | Polpharma | multipe items were used | 9 mg/mL |
insulin needles 29 G | Becton, Dickinson and Company | multipe items were used | - |
Jiva 25 | O2M Technologies | - | EPROI |
MATLAB | MathWorks | - | version R2021b |
penicillin-streptomycin | Merck Life Science | P4333 | with 10,000 units penicillin and 10 mg streptomycin/mL |
potassium chloride | POCH S.A. | 739740114 | - |
potassium dihydrogen phosphate | POCH S.A. | 742020112 | - |
ProcessGUI | O2M Technologies | - | accesible in the github repository |
PTFE tubing | Cole Palmer Instrument Co | 06412-11 | - |
sodium chloride | POCH S.A. | 794121116 | - |
SpecMan4EPR | FEMI Instruments | - | version 3.4 CS 64bit |
Surflash I.V. Catheter | Terumo | SR*FF2419 | size: 24G x ¾" |
tape | 3M | multipe items were used | micropore |
Trypsin-EDTA | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 25200072 | - |
Ultrasonography | Telemed | - | Anatomical US |
US gel | KONIX | NUG-0019 | - |
Vetflurane | Virbac | 137317 | 1000 mg/g |
Vevo F2 | FujiFilms, Visual Sonics | - | B-mode and Doppler |
vinyl polysiloxane dental clay | 3M ESPE | multiple items were used | - |
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