JoVE 비디오를 활용하시려면 도서관을 통한 기관 구독이 필요합니다. 전체 비디오를 보시려면 로그인하거나 무료 트라이얼을 시작하세요.
쥐 종양의 정량적 3D 산소 맵은 Pulse Electron Paramagnetic Resonance를 사용하여 비침습적으로 이미지화되었습니다. 초음파 B 모드와 파워 도플러는 해부학 및 혈관 구조에 사용되었습니다. 두 양식의 이미지를 중첩하여 다중 매개변수 종양 분석을 가능하게 했습니다.
산소 분압(pO2)의 정확한 실시간 측정은 암을 포함한 많은 병리학에서 귀중한 정보를 제공합니다. 낮은 종양 pO2 (즉, 저산소증)는 종양의 공격성 및 치료에 대한 낮은 반응과 관련이 있습니다. 종양 pO2 의 정량화를 통해 치료 효과를 평가할 수 있습니다. EPRI(Electron Paramagnetic Resonance Imaging), 특히 Pulse EPRI는 생체 내 조직 산소화를 평가하는 고급 3차원(3D) 방법으로 부상했습니다. 이러한 혁신은 EPR(Electron Paramagnetic Resonance)의 기술 개발과 빠르고 민감한 산소화 데이터를 제공하는 트리아릴 제품군의 수용성 산소 측정 스핀 프로브의 적용으로 가능했습니다. 스핀 프로브(T1 및/또는 T2)의 이완 시간은 선택된 복셀에서pO2 에 대한 정확한 정보를 제공합니다.
인간 교모세포종 LN229 종양은 BALB/c 누드 마우스의 견갑골 유행 패드에서 성장했습니다. 초음파(미국) 영상은 종양 해부학적 정보에 대한 참조로 사용되었습니다. 조직 pO2를 이미지화하기 위해, 동물을 기준점이 있는 동물 침대의 고정된 위치에 배치하여 이미징 양식 간의 등록을 가능하게 했습니다. OX071 조영제를 투여한 후 EPRI를 수행한 후 US B-모드를 수행했습니다. 스핀 프로브 독성이 낮기 때문에 종양 성장 또는 치료 중에 절차를 반복할 수 있습니다. 이미징 후, 등록 프로세스는 MATLAB으로 작성된 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 궁극적으로 특정 종양에 대한 저산소 분율을 계산할 수 있으며pO2 조직 분포의 히스토그램을 시간 경과에 따라 비교할 수 있습니다. EPRI는 초음파와 결합되어 전임상 환경에서 종양의 산소 매핑을 위한 훌륭한 도구입니다.
복잡한 공간적, 동적 상호 작용이 있는 종양 미세환경(TME)을 이해하면 종양 생물학을 보다 완벽하게 이해할 수 있습니다. 저산소증(Hypoxia) 또는 낮은 산소 수치는 TME의 핵심 구성 요소이며 심혈관 질환, 당뇨병과 같은 대사 장애, 만성 신장 질환 등 생명을 위협하는 다른 질환의 발병에 중요한 역할을 합니다 1,2,3. 조직 산소화는 특히 부분적인 조직 산소압(pO2)이 치료 저항성과 상관관계가 있는 암의 맥락에서 근본적인 요인입니다. pO2 수치가 10mmHg를 초과하면 낮은 선형 에너지 전달(LET) 방사선 요법의 효과 증가(산소 향상 효과)와 관련이 있습니다.
EPRI(Electron Paramagnetic Resonance Imaging)를 사용한 최근 연구에서는 산소 유도 방사선 요법이 쥐 모델에서 다른 암의 생존율을 2배 향상시킬 수 있음을 입증했습니다 4,5. 이는 여러 Eppendorf Electrode 측정으로 종양 pO2를 측정한 결과 중앙값 또는 평균 pO2 값이 10 torr6 미만인 것으로 확인된 인간 피험자와 유사합니다. 방사선 요법 외에도 종양 저산소증은 종양의 공격성 및 면역 요법과 같은 다른 치료법의 결과와 직접적인 상관관계가 있었다 7,8. 이러한 연관성은 치료 결과를 향상시키고 질병의 병태생리학을 이해하는 데 있어 정확한 산소 측정의 중요성을 강조합니다.
최적의 in vivo 산소 측정을 위해서는 조직 관류 및 헤모글로빈 포화도와 같은 요인과 무관하게 부분 조직 산소 압력을 직접 측정해야 합니다. 절차는 비침습적이어야 하며, 장기간의 마취, 조직 온도의 변화 또는 조직 압력 및 pH의 현저한 변화와 같이 유기체에 대한 잠재적인 영향을 피하기 위해 짧고 정확한 이미징 시간이 있어야 합니다. 조직 산소 포화도 측정은 높은 정확도와 신뢰성을 보여야 하며, pH 및 산화 환원 상태의 차이를 포함하여 조직 미세환경의 변화에 관계없이 일관된 측정을 보장해야 합니다. 효과적인 치료 계획을 위해서는 실시간 이미지 데이터 재구성과 간단한 해석이 중요합니다. 여기에는 1mm 미만의 공간 해상도를 달성하는 것이 바람직할 뿐만 아니라 사이클링 저산소증과 같은 조직 산소 상태의 동적 변화를 모니터링하기 위한 빠른 데이터 수집이 포함됩니다.
이러한 맥락에서 분자 산소를 측정하거나 저산소증을 평가하기 위한 다양한 기술이 개발되었으며, 각각 고유한 적용 가능성과 장점이 있습니다. 세포 및 살아있는 동물 조직 산소 측정의 "황금 표준"으로 간주되는 백금 전극은 조직에 정밀하게 삽입하여 일관된 측정을 제공합니다. 형광 프로브를 사용한 광학 방법, 광 음향학, 유전자 또는 단백질 발현을 통한 저산소증의 영향 모니터링 또는 혜성 분석과 같은 다른 접근 방식은 사용하기 쉽지만 간접적이거나 조직의 광학 경로에 의해 제한됩니다. 저산소증 및/또는 산소화를 평가하기 위한 유망한 대안으로는 자기공명영상(MRI)-OE-MRI10 또는 MOBILE11, 다양한 저산소증에 민감한 프로브를 이용한 양전자 방출 단층촬영(PET)12 또는 전자 상자성 공명(EPR)이 있습니다.
EPR은 생물 의학 분야에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. 이 현상 자체는 1944년에 처음 보고되었으며 화학 구조를 분석하기 위한 도구로 널리 채택되었으며 최근에는 짝을 이루지 않은 전자를 가진 생물학적 시스템 및 재료에 대한 도구로 채택되었습니다13. EPR 분광법은 광합성, 금속 단백질, 라디칼 효소 및 인지질막과 같은 생물학적 시스템의 역학 및 구조를 연구하는 데 사용되었습니다 14,15,16. 전자 상자성 공명(EPR) 분광법 및 단층 촬영은 ~1mm의 공간 해상도, 1-10분의 시간 해상도, 1-3 torr 5,17,18의 pO2 해상도로 종양 산소화 및 미세환경을 연구하기 위한 중추적인 비침습적 방법으로 부상했습니다.
연속파(CW) EPR 방법은 스펙트럼 기록 및 해석의 단순성으로 인해 대부분의 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 산소-스핀 프로브 상호 작용은 EPR 신호 강도 또는 선 모양의 변화를 평가하여 작동하여 샘플 내 산소 수준에 대한 통찰력을 제공합니다. CW EPR은 펄스 방법에 비해 더 넓은 범위의 pO2에 대한 감도에서 주목할만한 이점이 있습니다. 다양한 펄스 시퀀스를 적용함으로써, 전자 스핀-스핀 이완 시간, 스핀-격자 이완 시간 및 주변 스핀과의 상호 작용과 같은 정보를 설명할 수 있습니다18,19. IRESE(electron spin echo) 판독을 통한 반전 복구와 같은 펄스 EPR 기술은 스핀 격자 이완 속도를 측정하여 낮은 산소 농도에서 스핀 프로브-스핀 프로브 이완으로 인한 이완으로 인한 아티팩트를 방지합니다19,20. EPR은 높은 시간 및 공간 분해능으로 산소 농도 변화를 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 높은 산소 농도의 산소 측정에서 펄스 EPR은 전자 스핀 에코(ESE)로 측정된 횡방향 자화의 짧은 이완 시간으로 인해 한계에 직면합니다. 궁극적으로 CW와 펄스 EPR은 상호 보완적이며, 스핀 시스템에 대한 신뢰할 수 있는 이해를 위해서는 두 가지 방법을 모두 적용해야 합니다.
EPR 산소 측정 기술은 산소 수준과 스핀-격자 사이의 선형 관계와 용액의 스핀-스핀 이완 속도에 의존합니다. 모든 산소 측정 프로브는 종종 용해성 스핀 프로브와 미립자 스핀 프로브의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 올바른 스핀 프로브를 선택하는 것은 실험 설정과 필요한 정보 21,22,23에 따라 다릅니다. 니트록시드 또는 OX063 및 이의 중수소화 형태 OX071과 같은 트리틸 유도체24,25와 같은 용해성 스핀 프로브는 조직 전체에 분포하여 전체 부피의 정보를 제공합니다. 또는 단일 지점 측정 및 장기간 및 반복적 인 산소 평가를 위해 LiPc, LiBuO 또는 탄소 유도체와 같은 고체 프로브를 사용할 수 있습니다 (표 1 참조) 22,23,26.
초음파 검사 B 모드 영상은 연조직 이미징을 위해 클리닉에서 널리 사용됩니다. 해상도는 사용된 트랜스듀서 주파수에 따라 다르며, 전임상 연구의 경우 18MHz 이상이 평면에서 충분한 해상도와 이미지의 깊이를 제공합니다. 초음파 검사의 또 다른 장점은 파워 도플러 모드를 사용하여 기능적 혈관 구조 이미지를 얻을 수 있다는 것입니다. 여기에서는 살아있는 쥐의 종양에 대한 3D 산소 맵을 생성하는 방법으로 전자 상자성 공명 산소 이미징(EPROI)을 제시합니다. 해당 초음파는 EPROI 내에서 종양 정의에 필요한 해부학적 참조를 가능하게 합니다. 모든 동물에 대해 여러 번의 이미징 세션이 가능합니다. 마지막 단계는 종양 부피에서pO2 히스토그램을 얻기 위한 이미지 재구성 및 양식 간 등록을 포함한 분석입니다.
승인된 동물 사육 시설에서 생쥐를 얻었으며 모든 실험은 윤리 지침(우리의 경우 - 허가 번호 165/2023, 폴란드 크라쿠프, First Local Ethics Committee)에 따라 수행되었습니다.
1. 동물과 종양 계통
참고: 마우스는 표준 실험실 조건에서 보관되었습니다: 밝음/어두움: 12시간/12시간, 습도: 60%, 온도: 23°C. 그들은 공동체 우리에서 식수를 무료로 이용할 수 있는 표준 차우 식단을 제공받았습니다.
2. 도플러 US 이미징
종양 영상의 전체 타임라인은 그림 1에 나와 있습니다. 초음파 영상은 EPROI 직전에 Doppler US와 Anatomy US의 혈관 촬영에 참조로 사용됩니다(그림 2). B-모드 해부학적 영상은 EPR에 의한 종양 산소화 분석에 필수적이며 섹션 3에 설명되어 있습니다. 도플러 초음파 영상(섹션 2)이 성공적인 등록 수행을 위해 필수는 아니지만, 그럼에도 불구하고 EPR 연구를 위한 최적의 시간 창에 대한 귀중한 정보를 제공하고 종양 영역의 활성 혈관 구조를 결정할 수 있습니다.
3. 에프로이
4. 데이터 분석
견갑골 내 지방 패드에서 자라는 LN229 종양과 혈관 구조의 초음파 이미지에서 대표적인 단면이 그림 5에 나와 있습니다. 일부 혈관 구조는 종양 경계 밖에서 볼 수 있습니다. 예상외로, 종양 혈관 부피의 비율은 감소하지 않았고 종양 성장에 따라 안정적으로 유지되었습니다.
그림 2에 요약된 것처럼 2단계?...
설명된 이미징 프로토콜에는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 첫째, 산소 지도에 해부학 이미지를 등록하기 위해서는 해상도가 향상되고 상세한 3D 데이터를 제공할 수 있기 때문에 MRI가 초음파보다 더 나은 선택일 수 있다19. 고주파 변환기를 사용한 초음파는 전임상 연구를 위한 뛰어난 해상도와 충분한 이미징 깊이를 제공합니다. 그러나 MRI와 US 모두...
H. Halpern 교수와 B. Epel 교수는 O2M Technologies의 공동 설립자입니다. 다른 저자인 G. Dziurman, A. Bienia, A. Murzyn, B. Płóciennik, J. Kozik, G. Szewczyk, M. Szczygieł, M. Krzykawska-Serda 및 M. Elas는 선언할 이해 상충이 없습니다.
O2M Technology의 친절한 기술 지원에 감사드립니다. 폴란드 국립과학센터(Poland National Science Centre)는 2020/37/B/NZ4/01313(Jiva-25 이미저) 및 NCBiR: ENM3/IV/18/RXnanoBRAIN/2022(동물 비용)를 승인하지 않습니다. VevoF2 초음파 구매는 Jagiellonian University의 Strategic Programme Excellence Initiative에 따라 생화학, 생물물리학 및 생명공학 학부의 지원을 받았습니다.
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 | - |
JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기
허가 살펴보기This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유