Luminescenza Imaging Cerenkov (CLI) per il monitoraggio Cancer Therapy

Riepilogo

Uso di luminescenza Imaging Cerenkov (CLI) per il monitoraggio del trattamento preclinico cancro è descritto qui. Questo metodo sfrutta la radiazione Cerenkov (CR) e imaging ottico (OI) per visualizzare le sonde radiomarcati e fornisce quindi una valida alternativa al PET in studi preclinici di monitoraggio terapeutico e screening di farmaci.

Abstract

In imaging molecolare, tomografia ad emissione di positroni (PET) e di imaging ottico (OI) sono due delle modalità più importanti e quindi più utilizzato ^1-3. PET è caratterizzato da una eccellente sensibilità e la capacità di quantificazione, mentre OI si distingue per la non-radiazione, relativamente a basso costo, la scansione in tempo breve, ad alto rendimento, e ampia disponibilità ai ricercatori di base. Tuttavia, entrambe le modalità hanno i loro difetti pure. PET soffre di scarsa risoluzione spaziale e di costo elevato, mentre OI principalmente è limitato ad applicazioni preclinici causa della sua limitata penetrazione nel tessuto con segnali ottici prominenti dispersione attraverso lo spessore dei tessuti viventi.

Recentemente un ponte tra PET e OI è emerso con la scoperta di luminescenza Imaging Cerenkov (CLI) ^4-6. CLI è una nuova modalità di imaging che sfrutta Cerenkov Radiazione (CR) per i radionuclidi di immagini con strumenti OI. Nobel russo Laureate Alekseyevich Cerenkov ei suoi colleghi hanno scoperto CR originariamente nel 1934. Si tratta di una forma di radiazione elettromagnetica emessa quando una particella carica viaggia ad una velocità superluminale in un mezzo dielettrico ^7,8. La particella carica, se positroni o elettroni, perturba il campo elettromagnetico del mezzo spostando gli elettroni nei suoi atomi. Dopo aver superato dei fotoni interruzione vengono emessi come gli elettroni sfollati tornare allo stato fondamentale. Per esempio, un decadimento F ¹⁸ è stato valutato per produrre una media di 3 fotoni in acqua ^5.

Dal suo emergere, CLI è stato studiato per il suo utilizzo in una varietà di applicazioni in cui preclinici immagine del tumore in vivo, gene reporter di imaging, radiotracciante sviluppo, multimodalità imaging, tra gli altri ^4,5,9,10,11. La ragione più importante per cui CLI ha goduto di molto successo finora è che questa nuova tecnologia si avvale della co bassost e ampia disponibilità di OI di radionuclidi di immagini, che ha usato per essere ripreso solo più costosi e meno disponibili modalità di imaging nucleare come il PET.

Qui, presentiamo il metodo di utilizzo di CLI per monitorare la terapia antitumorale. Il nostro gruppo ha recentemente studiato questa nuova applicazione e convalidato la fattibilità di un proof-of-concept studio ^12. Abbiamo dimostrato che CLI e PET esposte correlazioni eccellenti in xenotrapianti di tumori diversi e sonde di imaging. Ciò è coerente con il principio generale di CR che CLI visualizza essenzialmente gli stessi radionuclidi PET. Abbiamo selezionato Bevacizumab (Avastin, Genentech / Roche) come il nostro agente terapeutico perché è un noto inibitore dell'angiogenesi ^13,14. Maturazione di questa tecnologia nel prossimo futuro può essere immaginato avere un impatto significativo sullo sviluppo di farmaci preclinico, screening, così come il monitoraggio della terapia dei pazienti che ricevono trattamenti.

Protocollo

1. Modello Tumore

1. Coltura cellule H460 (American Type Culture Collection) in terreno RPMI 1640 supplementato con 10% di siero fetale bovino e 1% di penicillina / streptomicina (Invitrogen Life Technologies). Va notato che le scelte di linee cellulari, terreni di coltura, al luogo di inoculazione, il numero di xenotrapianti per topo, e altre considerazioni sono essere adattati agli obiettivi di uno studio particolare. Qui ci limiteremo a presentare un disegno specifico progetto per servire come illustrazione.
2. Mantenere linee cellulari in atmosfera umidificata al 5% di CO ₂ a 37 ° C e il cambiamento di mezzo fresco ogni altro giorno.
3. Quando un monostrato confluente 75% delle cellule è formata, staccare il monostrato con tripsina e dissociare celle in una singola cella di sospensione per coltura cellulare ulteriormente.
4. Sospendere circa 1 x 10 ⁶ cellule H460 in tampone fosfato salino (PBS; Invitrogen) e impianto per via sottocutanea inspalle destra e sinistra di topi nudi femmine (topi nudi atimici (nu / nu), 4 - 6 settimane di età, Charles River Laboratories, Inc.).
5. Lasciare i tumori a crescere fino a 150 - 200 mm ^3. Ci vogliono circa 2 settimane per H460 xenotrapianti tumorali a crescere a questa dimensione. Standard pinza misurazione viene effettuata per tracciare dimensioni tumorali.
6. Quando la malattia raggiunge la dimensione ideale dei topi affetti da tumore sono ora pronti per il trattamento e imaging in vivo sia tramite PET e CLI.

2. PET

1. Eseguire gli studi PET in base a questo programma o qualsiasi variazione di esso a seconda del progetto specifico (Figura 1) ^12. Un certo numero di fattori possono influenzare la progettazione del programma, compreso, ma non limitato a, scelta delle linee cellulari tumorali xenotrapianto, farmaci antitumorali, e regimi di dosaggio. Qui ci limiteremo a presentare un programma specifico di imaging. Gli studi CLI devono essere eseguite secondo lapianificazione stessi degli studi PET, con CLI eseguito immediatamente dopo la PET corrispondente. Si deve inoltre notare che l'obiettivo degli studi PET è principalmente per la convalida dei risultati CLI. Per gli utenti comuni che hanno appena desiderano utilizzare gli strumenti di OI per le sonde di imaging radiomarcati, PET non è necessario. Tuttavia, se si fa PET convalida desiderio è opportuno sottolineare che gli strumenti di PET e CLI deve essere situato molto vicino per la convalida di successo a causa della breve emivita di ¹⁸ F (109,77 min).
2. Dividere i topi in gruppi di trattamento e di controllo (n ≥ 3 ciascuno). Trattare topi nel gruppo di trattamento con 2 iniezioni di bevacizumab di 20 mg / kg nei giorni 0 e 2. Giorno 0 è definito dalla prima iniezione. Si noti che a Giorno -1 una pre-scansione deve essere eseguito sia attraverso PET e CLI.
3. Piccoli animali PET di topi portatori di tumore deve essere eseguita con un modello di roditore scanner R4 (Siemens Medical Solutions USAA, Inc.).
4. Anestetizzare tutti i mouse con il 2% isoflurano (Aerrane, Baxter) e iniettare con ^{3'-desossi-3'-18} F-fluorothymidine ⁽¹⁸ F-FLT; 7,3-8,0 MBq [198-215 uCi]) attraverso la vena della coda. La sonda PET deve essere diluito in PBS prima dell'iniezione.
5. Dopo 1 h, anestetizzare topi ancora e posizionare topi anestetizzati prona e vicino al centro del campo di vista del piccolo animale scanner PET.
6. Ottenere scansioni statici di tre minuti e ricostruire le immagini da un 2-dimensionale ordinato-sottoinsiemi algoritmo di attesa massimo. Correzione del fondo non è necessaria.
7. Disegnare le regioni di interesse (ROI; 5 pixel per fette coronali e transassiale) sui tumori sul decadimento-corretti immagini coronali tutto il corpo. Ottenere i conteggi massimo per pixel al minuto dal ROI e convertire in conteggi per millilitro al minuto per mezzo di una costante di taratura. Con l'assunzione di una densità di tessuto 1 g / ml, convertire il ROI di conteggiper grammo al minuto. Determinare immagine ROI derivati% ID / g valori dividendo conteggi al minuto per grammo di dose iniettata. Correzione dell'attenuazione non è necessaria.

3. CLI

1. CLI deve essere eseguita con un sistema Spectrum IVIS (Caliper Life Sciences). Acquisizione e analisi di immagini devono essere effettuate con Living Immagine software 3.0 (Caliper Life Sciences). Lunghezza d'onda risolto imaging spettrale deve essere eseguita utilizzando un 18-set banda stretta filtro di emissione (490-850 nm). Ancora una volta, per ogni topo, effettuare CLI immediatamente dopo PET per minimizzare la quantità di decadimento radioattivo se gli studi PET sono inclusi nel protocollo.
2. Mettere gli animali in una camera a tenuta di luce in anestesia isoflurano. Topi più può essere collocato contemporaneamente per aumentare la velocità.
3. Acquisire le immagini utilizzando 3 Tempo di esposizione min (f / stop = 1, binning = 4). Utilizzare le impostazioni di illuminazione stesse (tensione di lampada, filtri, f / stop, i campi di vista, binning) per acquisire tutte le immagini. Utilizzare la zona dorsale pelle per calcolare l'intensità del segnale del tessuto sfondo. Normalizza emissione di fluorescenza di fotoni al secondo per centimetro quadrato per steradiante (p / s / cm ² / sr).

4. Risultati rappresentativi

Confronto visivo tra CLI e immagini PET può essere facilmente eseguito. Dopo unificazione della barra della scala attraverso le immagini dalla modalità e nello stesso luogo CLI e PET immagini affiancate si può vedere in questo gruppo rappresentativo (Figura 2A) che sia CLI e PET ha rivelato i segnali sono diminuiti sensibilmente tra H460 xenotrapianti in topi trattati dal pre-trattamento al giorno 3, suggerendo effetto terapeutico significativo. Come confronto, moderatamente aumentato a segnali invariati sono stati osservati nei topi non trattati durante lo stesso periodo (dati non mostrati). Mediante ispezione visiva da sola si può osservare che vi è una buona consistenza tra contrasti tumorali che sono visivazato da CLI e PET. In realtà, questa correlazione visiva ha una risoluzione sufficiente per mostrare necrosi centrale del tumore secondario al regime di trattamento antitumorale (Confrontare il CLI e immagini PET dal giorno 3). Per convalidare le quantificazioni dei reperti radiologici e analisi di correlazione può essere effettuata.

Quantificazioni di CLI e immagini PET e un montaggio semplice tramite regressione lineare ha mostrato che le due modalità effetti aveva una eccellente correlazione (Figura 2B, R ² = 0,9309 per ¹⁸ F-FLT sondato gruppo di trattamento). In particolare, in tutto il nostro CLI e studi di imaging PET con diversi modelli di tumore e diversi farmaci antitumorali pendici delle crisi convulsive sono anche molto vicino, suggerendo così una misura eccellente di regressione lineare anche di tutti i dati sono conglomerati (dati non riportati). Entrambe le immagini rappresentative sono adattati dal nostro ¹² precedenti pubblicazioni.

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Figura 1. Schema di disegno sperimentale degli studi PET e CLI. I tumori sono stati impiantati bilateralmente nella zona della spalla e fatti crescere a 150-200 mm ^3, e topi portatori di tumore sono stati sottoposti a imaging in vivo mediante PET e CLI al giorno -1, 1, e 3. Trattamento Bevacizumab è stato eseguito da 2 iniezioni di 20 mg / kg nei giorni 0 e 2.

Figura 2. (A) in vivo CLI e immagini PET di topi portatori di H460 eterotrapianti trattati con Bevacizumab prima del trattamento (pre-scansione) e dopo il trattamento (giorno 3). (B) corrispondente analisi quantitativa di CLI e PET risultati (n = 3) e le loro correlazioni. Adattato da immagini (6).arge.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per ingrandire la figura.

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Discussione

CLI sta emergendo come una tecnica promettente di imaging molecolare che ha trovato in potenziali applicazioni delle scienze della ricerca di base e molte anche uso clinico ^{4,5,15,16,17.} I vantaggi principali di CLI rispetto alle tradizionali modalità di imaging nucleare, quali le staminali PET dal suo uso di strumenti di OI, che sono più facili da usare, caratterizzati da tempi di acquisizione brevi e ad alto rendimento, molto meno costosi, e più ampiamente a disposizione dei ricercatori. Inoltre, ciò ch...

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Materiali

H460 linea cellulare	American Type Culture Collection	ATCC Numero: HTB-177
RPMI 1640	Invitrogen Life Technologies	12633-012
Siero fetale bovino	Invitrogen Life Technologies	10091-148
Penicillina / streptomicina	Invitrogen Life Technologies	15640-055
PBS	Invitrogen Life Technologies	10010-023
Donne topi nudi atimici	Charles River Laboratories, Inc.	Codice Strain: 088
Bevacizumab (Avastin)	Genentech / Roche	N / A
MicroPET roditori R4	Siemens Medical Solutions USA, Inc.	N / A
Isoflurano (Aerrane)	Baxter	Baxter Numero: AHN3637
IVIS Spectrum	Caliper Life Sciences	N / A