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Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
L’application des résultats de la microscopie intravitale est mise à l’épreuve par sa faible profondeur de pénétration dans les tissus. Nous décrivons ici un modèle de souris à chambre de fenêtre dorsale qui permet le co-enregistrement de la microscopie intravitale et des modalités d’imagerie cliniquement applicables (par exemple, CT, IRM) pour une corrélation spatiale directe, rationalisant potentiellement la traduction clinique des résultats de la microscopie intravitale.
L’imagerie intravitale préclinique telle que la microscopie et la tomographie par cohérence optique s’est avérée être un outil précieux dans la recherche sur le cancer pour visualiser le microenvironnement tumoral et sa réponse au traitement. Ces modalités d’imagerie ont une résolution à l’échelle du micron, mais ont une utilisation limitée en clinique en raison de leur faible profondeur de pénétration dans les tissus. Les modalités d’imagerie plus cliniquement applicables telles que la tomodensitométrie, l’IRM et la TEP ont une profondeur de pénétration beaucoup plus grande, mais ont une résolution spatiale comparativement plus faible (échelle du millimètre).
Pour transposer les résultats de l’imagerie intravitale préclinique en clinique, de nouvelles méthodes doivent être développées pour combler cet écart de résolution micro à macro . Nous décrivons ici un modèle murin de tumeur à fenêtre de pli cutané dorsal conçu pour permettre l’imagerie préclinique, intravitale et cliniquement applicable (TDM et IRM) chez le même animal, ainsi que la plateforme d’analyse d’images qui relie ces deux méthodes de visualisation disparates. Il est important de noter que l’approche décrite de la chambre de fenêtre permet aux différentes modalités d’imagerie d’être co-enregistrées en 3D à l’aide de marqueurs de repère sur la chambre de fenêtre pour une concordance spatiale directe. Ce modèle peut être utilisé pour la validation de méthodes d’imagerie clinique existantes, ainsi que pour le développement de nouvelles méthodes grâce à une corrélation directe avec des résultats intravitaux à haute résolution de « vérité terrain ».
Enfin, la réponse tumorale à divers traitements - chimiothérapie, radiothérapie, thérapie photodynamique - peut être suivie longitudinalement avec cette méthodologie en utilisant des modalités d’imagerie précliniques et cliniquement applicables. Le modèle murin de tumeur, la chambre de la fenêtre du pli cutané dorsal et les plateformes d’imagerie décrits ici peuvent donc être utilisés dans une variété d’études de recherche sur le cancer, par exemple, pour traduire les résultats de la microscopie intravitale préclinique en modalités d’imagerie plus cliniquement applicables telles que la tomodensitométrie ou l’IRM.
La microvascularisation tumorale est un composant important du microenvironnement tumoral qui peut être une cible pour le traitement et un déterminant de la réponse au traitement. Dans le cadre préclinique, la microvascularisation est généralement étudiée à l’aide de la microscopie intravitale dans des modèles animaux orthotopiques ou hétérotopiques de chambre fenêtre 1,2. Cela présente plusieurs avantages par rapport aux études histologiques puisque l’imagerie se fait dans des tissus vivants et que la tumeur peut être surveillée longitudinalement sur plusieurs semaines, voire plusieurs mois2,3. Ces études peuvent tirer parti des capacités d’imagerie à haute résolution de la microscopie intravitale pour étudier l’administration de traitements à la tumeur 4,5, les causes de la résistance au traitement6 et la réponse des micro-vaisseaux à des thérapies telles que le traitement antiangiogénique 7,8 et la radiothérapie 2,9.
La microscopie intravitale joue clairement un rôle important dans la recherche préclinique sur le cancer ; Cependant, comment les caractéristiques microenvironnementales des tumeurs peuvent-elles être mesurées en clinique ? Les informations microvasculaires seraient utiles en clinique pour mesurer l’apport sanguin et l’hypoxie des cellules tumorales, ce qui est important pour déterminer la résistance au traitement en radiothérapie10, ainsi que la capacité de la microvascularisation à délivrer des agents chimiothérapeutiques aux cellules tumorales environnantes11. Par exemple, en radiothérapie, des informations spatiales sur la structure et la fonction de la microvascularisation tumorale peuvent aider à personnaliser le plan de traitement d’un patient en ajustant le calendrier de fractionnement ou en augmentant préférentiellement la dose aux régions avasculaires et probablement hypoxiques12.
La microscopie intravitale permet de mesurer ces caractéristiques microvasculaires importantes car elle a une très haute résolution (échelle de μm) ; Cependant, sa pénétration en profondeur dans les tissus est limitée à plusieurs centaines de microns ou quelques millimètres, ce qui rend tout au plus difficile la mise en œuvre clinique. En effet, il existe de nouvelles applications de la microscopie intravitale en clinique13 ; Cependant, ceux-ci sont encore limités à l’examen des tissus proches de la surface tels que la peau14 ou les muqueuses/endothéliales de diverses cavités corporelles à l’aide de cathéters/endoscopes flexibles15,16.
Plus fréquemment, la microvascularisation est étudiée à l’aide de modalités d’imagerie telles que la TDM17 ou l’IRM18. Ces modalités d’imagerie clinique peuvent imager à n’importe quelle profondeur dans le corps, mais elles ont une résolution spatiale beaucoup plus faible (échelle mm). Ainsi, il est nécessaire de combler cet écart de résolution entre la microscopie intravitale préclinique et les modalités d’imagerie clinique afin d’apporter des informations microvasculaires détaillées et à haute résolution dans la clinique19. Plusieurs méthodes d’imagerie fonctionnelle ont été développées pour améliorer les capacités d’imagerie microvasculaire des modalités d’imagerie clinique telles que l’IRM dynamique avec contraste (DCE) et la TDM20, et l’IRM21 à mouvement incohérent intravoxel (IVIM). Cependant, il s’agit de méthodes basées sur des modèles qui fournissent des mesures indirectes de la microvascularisation et doivent donc être validées par des mesures appropriées de la microvascularisation19,22.
Nous avons développé un modèle murin de tumeur DSFC (dorsal skinfold window chamber) pour combler ce fossé entre la microscopie intravitale préclinique et les modalités d’imagerie cliniquement applicables telles que la tomodensitométrie et l’IRM. Le DSFC offre un accès direct à la tumeur pour l’imagerie par microscopie intravitale à haute résolution à travers une fenêtre en verre, mais aussi pour l’imagerie cliniquement applicable telle que l’IRM car il est fait de matériaux compatibles avec l’IRM (plastique et verre). De plus, un code MATLAB inclus effectue un co-enregistrement 3D multimodal pour des corrélations spatiales directes entre la microscopie intravitale préclinique et les modalités d’imagerie cliniquement applicables. Nous décrirons ici la conception et la chirurgie d’installation du DSFC ainsi que la procédure de co-enregistrement de la microscopie intravitale et des modalités d’imagerie cliniquement applicables.
Toutes les interventions sur les animaux ont été effectuées conformément au Guide sur le soin et l’utilisation des animaux d’expérimentation, qui est établi par le Conseil canadien de protection des animaux. Les expériences ont été réalisées selon un protocole approuvé par le Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux du Réseau universitaire de santé à Toronto, au Canada.
1. Marquage de l’inoculation tumorale
REMARQUE : Le « Landmarking » fait référence au processus de marquage de la peau de la souris pour indiquer où les cellules tumorales doivent être injectées afin d’optimiser le placement des DSFC. Cette procédure de marquage doit être effectuée le jour même ou 1 jour avant l’inoculation. Le NOD immunodéprimé. La souris femelle Cg-Rag1tm1Mom Il2rgtm1Wjl/SzJ (NRG) a été utilisée pour ce travail.
2. Inoculation tumorale
REMARQUE : Dans cette étude, nous utilisons une lignée cellulaire de cancer du pancréas humain (BxPC3). D’autres lignées cellulaires peuvent également être utilisées ; Cependant, des étapes spécifiques de la culture cellulaire peuvent varier d’une lignée cellulaire à l’autre. Reportez-vous aux instructions fournies avec les cellules pour connaître les modifications apportées à la procédure ci-dessous.
3. Chirurgie de la chambre de fenêtre
REMARQUE : Le DSFC se compose de quatre pièces imprimées en 3D, comme le montre la figure 1. Les schémas de chaque pièce sont inclus dans le Dossier supplémentaire 1. Toutes les pièces sont imprimées avec une résine plastique transparente biocompatible. La chambre de la fenêtre principale se compose de trois parties (figures 1A-C) avec un anneau de repère supplémentaire (figure 1D) qui peut être fixé lors de l’imagerie IRM ou CT.
Figure 1 : Schéma de la chambre de la fenêtre du pli cutané dorsal. La chambre principale de la fenêtre contient trois parties. Tout d’abord, (A) le cadre avant est suturé sous la peau de la souris et contient une lamelle en verre fixée à l’aide d’une colle durcie aux UV. (B) Le cadre arrière est suturé au cadre avant à l’extérieur de la peau. (C) Le clip de support se fixe au bas du cadre arrière et maintient le DSFC à la verticale sur le corps de la souris. (D) L’anneau de repère contient sept « puits » où des repères peuvent être insérés. L’anneau de repère peut être fixé au cadre avant du DSFC à l’aide des trois poteaux de support. (E) L’ensemble DSFC complet avec une bague de repère est illustré. Barres d’échelle = 1 cm (A-D, en bas à gauche ; E). Abréviation : DSFC = chambre de fenêtre de pli cutané dorsal. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Procédure chirurgicale DSFC. (A) La souris est préparée pour la chirurgie en enlevant les poils et en désinfectant la peau. La tumeur sous-cutanée est indiquée par la flèche. (B) Le cadre arrière est placé dans la position appropriée et fixé par trois seringues ainsi que des sutures temporaires fixées au guide chirurgical noir. (C, D) L’emplacement des entretoises (points 1 à 6) et le trou sont marqués des deux côtés de la peau. (E) La peau est enlevée. (F-K) Une suture temporaire est enfilée à travers les deux couches de peau, les cadres avant et arrière du DSFC pour fixer toutes les pièces ensemble. (L,M) La suture temporaire est resserrée et le cadre avant est inséré sous la peau. (N) Huit sutures permanentes sont mises en place pour fixer le DSFC. (O) Enfin, la suture temporaire est retirée et le clip de support est fixé. (P,Q) La même souris est montrée 2 semaines après la chirurgie des deux côtés. Abréviation : DSFC = chambre de fenêtre de pli cutané dorsal. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
4. Imagerie optique
5. Imagerie par résonance magnétique
Figure 3 : Configuration de l’imagerie IRM DSFC. (A) Vues latérales et (B) vues de dessus de la souris positionnée sur le lit IRM avec DSFC fixé et immobilisé. La souris est équipée d’un cathéter veineux caudal pour l’injection d’agent de contraste et l’anneau de fabrication de repère est fixé au cadre avant du DSFC. Abréviations : DSFC = chambre de fenêtre de pli cutané dorsal ; IRM = imagerie par résonance magnétique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Emplacements des coupes IRM par rapport aux repères et à la chambre de la fenêtre. (A) Un schéma de la DSFC avec fixation de l’anneau de repère avec les 11 coupes IRM superposées. Plusieurs images pondérées en T2 doivent être acquises pour s’assurer que les coupes sont correctement alignées avec le DSFC et le tissu. (B, C) Positionnement correct des 11 coupes par rapport au tissu dans le DSFC à partir de différentes orientations. (D) La tranche 5 est la tranche la plus superficielle où l’analyse de corrélation d’intermodalité sera effectuée. (E) La tranche 6 ne contient aucun signal tissulaire indiquant qu’elle est correctement alignée avec le DSFC. (F) Enfin, les 7 repères sont bien visibles dans la tranche 9. Barres d’échelle = 5 mm. Un « X » sur l’axe indique que l’axe va dans la page et un cercle indique que l’axe sort de la page. Abréviations : DSFC = chambre de fenêtre de pli cutané dorsal ; IRM = imagerie par résonance magnétique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
6. Co-enregistrement de l’IRM à la microscopie intravitale
Figure 5 : Co-enregistrement multimodal basé sur des points. (A) Ensemble de données svOCT microvasculaires codées en profondeur de couleur ; barre d’échelle = 1 mm. (B) Image de microscopie à fond clair de la chambre de la fenêtre ; barre d’échelle = 2 mm. (C) Moyenne des tranches d’IRM T2w 8-11 montrant les sept marqueurs repères contenus dans l’anneau de repère ; barre d’échelle = 5 mm. (C) Tout d’abord, l’ensemble de données IRM T2w « en mouvement » est co-enregistré sur l’image de microscopie à fond clair « fixe » à l’aide des marqueurs verts saisis par l’utilisateur sur les deux ensembles d’images. Ensuite, l’image de microscopie à fond clair « mobile » et l’image IRM co-enregistrée sont co-enregistrées dans l'« ensemble de données svOCT fixes » à l’aide des marqueurs bleus en A et B. L’ensemble de données final co-enregistré comprend (D) le svOCT, (E) l’image de microscopie en fond clair et (F) la carte des paramètres fonctionnels de l’IRM. Les voxels noirs dans F sont à l’extérieur de la tumeur et ne sont donc pas pris en compte dans l’analyse. Pour D-F, barre d’échelle = 1 mm. Abréviations : svOCT = tomographie par cohérence optique à variance de chatoiement ; IRM = imagerie par résonance magnétique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
La tomographie par cohérence optique à variance de chatoiement (svOCT) a été réalisée pour obtenir des images microvasculaires 3D à grand champ de vision (FOV) (6 x 6 mm,2 latéraux x 1 mm de profondeur). Pour obtenir ces images, un système OCT à source balayée précédemment décrit et basé sur un interféromètre en quadrature a été utilisé23. Les images OCT ont été acquises en assemblant deux balayages FOV 3 x 6 mm2 latéralement adjacents. Chaque B-scan co...
Dans ce travail, nous avons développé un flux de travail permettant d’effectuer à la fois la microscopie intravitale et l’imagerie cliniquement applicable (TDM, IRM et TEP) chez le même animal. Cela a été fait dans le but de traduire les résultats de la microscopie préclinique à la clinique en corrélant directement la microscopie intravitale avec des modalités d’imagerie clinique telles que l’IRM. Bien que les conceptions conventionnelles des DSFC soient en métal 2,3...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Nous remercions la Dre Carla Calçada (boursière postdoctorale, Princess Margaret Cancer Centre) et le Dr Timothy Samuel (étudiant au doctorat, Princess Margaret Cancer Centre) pour leur aide dans la culture de cellules tumorales et l’élaboration du protocole d’inoculation. La Dre Kathleen Ma, la Dre Anna Pietraszek et la Dre Alyssa Goldstein (Centre de recherche animale, Centre de cancérologie Princess Margaret) ont participé à l’élaboration du protocole chirurgical. Jacob Broske (technologue en génie médical, Centre de cancérologie Princess Margaret) et Wayne Keller (responsable de la clientèle matérielle, Javelin Technologies – une société du groupe TriMech) ont imprimé en 3D les chambres de la fenêtre. James Jonkman (Advanced Optical Microscopy Facility, University Health Network) a fourni de précieux conseils pour l’acquisition d’images en microscopie à fond clair et à fluorescence.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Cell Culture Materials | |||
BxPC-3 Human Pancreatic Cancer Cells | ATCC (American Type Culture Collection) | CRL-1687 | |
Corning Matrigel Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL | Corning | 354234 | |
Corning Stripettor Ultra Pipet Controller | Corning | 07-202-350 | |
Dulbecco Phospphate buffered saline without Calcium, Magnesium, or phenol red, 500 mL | Gibco | 14190144 | |
Fetal Bovine Serum (Canada), 500 mL | Sigma-Aldrich | F1051-500ML | |
Penicillin-Streptomycin 100x (liquid,stabilized, sterile-filtered, cell culture tested) | Sigma-Aldrich | P4333-100ML | |
RPMI Medium 1640 (1x), liquid; with L-Glutamine, 500 mL | Gibco | 11875093 | |
TrypLE Express Enzyme, 500 mL | Gibco | 12605028 | |
Window Chamber Materials | |||
12 mm Glass Coverslip | Harvard Apparatus | CS-12R No. 1.5 | |
Connex 500 3D Printer | Stratasys | N/A | |
Biocompatible clear MED610 resin | Stratasys | RGD810 | |
Loctite AA 3105 UV curable glue | Loctite | LCT1214249 | |
Window chamber back frame | Trimech Inc | N/A | |
Window chamber fiducial marker | Trimech Inc | N/A | |
Window Chamber front frame | Trimech Inc | N/A | |
Window chamber support clip | Trimech Inc | N/A | |
inoculation and Surgery Materials | |||
BD SafetyGlide Insulin Syringes with Permanently Attached Needles, 0.5 mL, 29 G x 1/2" | BD | CABD305932 | |
Betadine Solution | Betadine | AP-B002C2R98U | |
Cidex OPA 14 Day Solution 3.8 L | ASP | JOH20394 | |
Disposable Surgical Underpads 23 inch x 24 inch | Kendall | 7134 | |
Eye lubricant | Optixcare | 50-218-8442 | |
Hair removal cream | Nair | 061700222611 | |
Halstead Hemostatic Forceps | Almedic | 7742-A12-150 | |
Heating pad | Sunbeam | B086MCN59R | |
Iris Scissors | Almedic | 7601-A8-690 | |
Isoflurane | Sigma | 792632 | |
Metacam | Boehringer Ingelheim Animal Health USA Inc | NDC 0010-6015-03 | |
NOD.Cg-Rag1tm1Mom Il2rgtm1Wjl/SzJ mouse | the Jackson laboratory | 7799 | |
Peanut Clipper & Trimmer | Wahl | 8655-200 | |
SOFSILK Nonabsorbable Surgical Suture #5-0 with 3/8" Taper point needle (17 mm) (Wax Coated,Braided Black Silk, Sterile) | Syneture | VS880 | |
Splinter Forceps | Almedic | 7725-A10-634 | |
MR Imaging | |||
3D printed window chamber immobilization device. | custom 3D printed, refer to figure 3 for details. | ||
Convection heating device | 3M Bair Hugger | 70200791401 | |
Drug injection system | Harvard Apparatus | PY2 70-2131 | PHD 22/2200 MRI compatible Syringe Pump |
Gadovist 1.0 | Bayer | 2241089 | |
Respiratory monitoring system | SAII | Model 1030 | MR-compatible monitoring and gating system for small animals. |
Tail vein catheter (27 G 0.5" ) | Terumo Medical Corp | 15253 | |
Optical Imaging | |||
3D printed imaging stage | Custom 3D printed, refer to supplementary figure 3 for details. | ||
12 V 7 W Flexible Polyimide Heater Plate Thin Adhesive PI Heating Film 25 mm x 50 mm | BANRIA | B09X16XCVS | Heating element used for mouse body temeprature regulation. |
DC power supply | BK Precission | 1761 | Used to power the heating element. |
Leica MZ FLIII | Leica Microsystems | 15209 | |
svOCT imaging system | In-house made imaging system. Details can be found in reference 23. | ||
Software | |||
MATLAB Software | MathWorks | R2020A |
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