PET und MRT geführte Bestrahlung von einem Glioblastom Rattenmodell mit einer Mikro-Moorpackung
Summary
In der Vergangenheit war kleine Tier Bestrahlung in der Regel ohne die Fähigkeit, eine gut abgegrenzte Tumorvolumen Ziel durchgeführt. Ziel war es, die Behandlung von menschlichen Glioblastom bei Ratten zu imitieren. Über eine kleine Tier Bestrahlung-Plattform haben wir MRT-geführte 3D konformalen Bestrahlung mit der PET-basierten Teilvolumen Förderung in einer präklinischen Einstellung durchgeführt.
Abstract
Jahrzehntelang erfolgte kleine Tier Strahlenforschung meist mittels ziemlich grobe Versuchsaufbauten einfachen Single-Beam-Techniken ohne die Fähigkeit, eine spezifische oder gut abgegrenzte Tumorvolumen Zielen. Die Lieferung der Strahlung wurde erreicht mit festen Strahlenquellen oder Linearbeschleuniger Megavoltage (MV) Röntgenstrahlen produziert. Diese Geräte sind nicht in der Lage, für Kleintiere erforderliche Sub-Millimeter-Genauigkeit zu erreichen. Darüber hinaus hohen Dosen an gesunde umliegende Gewebe behindern Antwort Bewertung geliefert. Um die Übersetzung zwischen kleinen Untersuchungen an Tieren und Menschen zu erhöhen, war unser Ziel, die Behandlung von menschlichen Glioblastom in einem Rattenmodell zu imitieren. Um eine genauere Bestrahlung in einer präklinischen Einstellung zu ermöglichen, wurden vor kurzem Präzision bildgestützten kleine Tier Strahlung Forschungsplattformen entwickelt. Ähnlich wie bei menschlichen Planungssysteme, Behandlungsplanung auf diese Mikro-Bestrahlungsgeräte Computertomographie (CT) beruht. Allerdings macht es wenig Weichgewebe Kontrast auf CT sehr anspruchsvolle Ziele in bestimmten Geweben, wie das Gehirn zu lokalisieren. Daher könnten mit Magnetresonanz-Bildgebung (MRI), die ausgezeichneten Weichgewebe Kontrast im Vergleich zum CT, eine genauere Abgrenzung der Zielvorgabe für die Bestrahlung. In den letzten Jahrzehnt auch biologische bildgebende Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) gewonnen Interesse für Strahlung Therapie Behandlung Beratung. PET ermöglicht die Visualisierung von z.B., Glukose Verbrauch, Aminosäure Transport oder Hypoxie im Tumor anwesend. Ausrichtung auf die höchst proliferative oder Radio-resistenten Teile des Tumors mit einer höheren Dosis könnte einen Überlebensvorteil. Diese Hypothese führte zu die Einleitung der biologischen Tumorvolumen (BTV), neben der herkömmlichen Brutto Zielvolumen (GTV), klinische Zielvolumen (CTV) und geplante Zielvolumen (PTV).
In der präklinischen imaging Labor der Universität Gent gibt es eine Mikro-Brutapparat, ein kleines Tier Haustier und ein 7 T kleines Tier MRI. Ziel war es, MRT-geführte Bestrahlung und PET-geführte Teilvolumen Steigerung in einem Rattenmodell Glioblastom zu integrieren.
Introduction
Hochwertige Gliom ist die häufigste und aggressivste bösartigen Hirntumor bei Erwachsenen mit eine mediane Überlebenszeit von 1 Jahr trotz aktuellen Behandlungsmethoden. Die Standardtherapie umfasst maximal chirurgische Resektion, gefolgt von kombinierten externen Strahl Strahlentherapie (RT) und Temozolomid (TMZ), gefolgt von Wartung TMZ1,2,3. Seit der Einführung von TMZ nun mehr als 15 Jahren wurden keine nennenswerten Verbesserungen bei der Behandlung dieser Tumoren. Daher die Umsetzung neuer therapeutischer Strategien ist dringend notwendig aber sollte zuerst in kleine Tier Krebs-Therapie-Modelle (vor allem Mäuse und Ratten) untersucht werden. Tumor-tragenden Nager-Modelle können verwendet werden, zu untersuchen, die Wirksamkeit von neuen und komplexen Strahlung Protokolle, eventuell in Kombination mit anderen (neuen) Behandlungsmitteln, um Strahlung Antwort bewerten oder Radio-Schutz-Agents zu untersuchen. Ein großer Vorteil der präklinischen Strahlenforschung ist die Fähigkeit, unter kontrollierten experimentellen Bedingungen mit großer Kohorten beschleunigte Daten Ausbeute durch die kürzeren Laufzeiten von Nagetieren zu arbeiten. Die präklinische Ergebnisse sollten dann in einer klinischen Studie in einer viel schneller und effizienter Weise als in der aktuellen Praxis4übersetzt werden.
Kleine tierische Strahlung Experimente in den letzten Jahrzehnten in der Regel mit festen Strahlung Quellen5,6,7, z.B., 137erreicht wurden Cs und 60Co, Isotope, oder linear Beschleuniger für menschliche klinische Anwendung, Anwendung einer einzigen Strahlungsfeld mit MV Röntgenstrahlen6,8,9,10,11vorgesehen. Allerdings erreichen diese Geräte nicht Sub-Millimeter Präzision, die für Kleintiere12erforderlich ist. Darüber hinaus haben MV Röntgenstrahlen Eigenschaften ungeeignet für die Bestrahlung von kleiner Objekten, wie z. B. ein Dosis Aufbau an der Grenzfläche Luft-Gewebe in der Region Eingang des Balkens mit einem Umfang in der Reihenfolge des Tieres Größe selbst4,6 ,8,9,10,11. Letzteres macht es ziemlich schwierig, eine einheitliche Dosis auf einen Tumor zu liefern, unter Schonung der umgebenden normalen Gehirn Gewebe4,8,9,10,11. Daher ist es unklar, welche Maße aktuellen tierexperimentellen Studien noch für moderne RT Praxis12relevant sind. In diesem Zusammenhang neu entwickelte dreidimensionale (3D) konforme kleine tierische Mikro-Bestrahlungsgeräte sind viel versprechend, um die technologische Kluft zwischen fortgeschrittenen 3D bildgebende RT Techniken, wie z. B. Intensität-modulierte Strahlentherapie (IMRT) oder winkeltreue Bögen verwendet bei Mensch und aktuelle kleine Tier Bestrahlung4,13. Diese Plattformen machen Gebrauch von einer Kilovoltage (kV) Röntgenquelle, scharfe Penumbras einzuholen und Dosis zu vermeiden. Diese Plattformen umfassen eine computergesteuerte Bühne für Tier Positionierung, ein kV Röntgenquelle für Bildgebung und Strahlentherapie, eine rotierende Gantry Montage erlauben Strahlung Anlieferung aus verschiedenen Blickwinkeln und ein Kollimator System, den Strahl zu gestalten 4. im Jahr 2011 wurde eine Mikro-Brutapparat in der präklinischen imaging Labor der Universität Gent (Abbildung 1) installiert. Dieses System ist vergleichbar mit modernen menschlichen Strahlentherapie-Praxis und ermöglicht eine Vielzahl von präklinischen Experimenten, wie die Synergie von Strahlung mit anderen Therapien, komplexe Strahlung Systeme und bildgebende Sub Ziel Boost Studien.
Behandlungsplanung auf diese Mikro-Bestrahlungsgeräte basiert auf CT, die menschlichen Planung Systeme14,15entspricht. Für CT-Bildgebung ist ein on-Board-Röntgen-Detektor in Kombination mit der gleichen kV Röntgenröhre verwendet, während der Behandlung verwendet wird. CT-Aufnahmen wird verwendet, da es eine genaue Positionierung der Tiere ermöglicht und Informationen, die für einzelne Strahlung Dosis Berechnungen über Segmentierung bietet. Jedoch können nicht aufgrund der niedrigen Weichgewebe Kontrast in CT imaging, Tumoren im Gehirn von Kleintieren, wie hochwertige Gliom, leicht abgegrenzt werden. Die Einbeziehung der multimodale Bildgebung ist daher notwendig für eine präzise Ziel-Volume-Abgrenzung. Im Vergleich zum CT, bietet MRI in beträchtlichem Ausmaß überlegen Weichgewebe Kontrast. Dies macht es viel einfacher, Läsion Grenzen zu visualisieren, die dazu führt, eine viel bessere Abgrenzung der das Zielvolume helfen, besser die Läsion zu bestrahlen und vermeiden umliegendes Gewebe, wie in Abbildung 24, 16. Ein weiterer Vorteil ist, dass MRI nicht-ionisierender Strahlung, im Gegensatz zu CT verwendet, die ionisierende Strahlung verwendet wird. Die wichtigsten Nachteile der MRT sind die relativ lange Aufnahmezeiten und hohe Betriebskosten. Es ist wichtig zu beachten, dass MRI-Scans für Dosis Berechnungen verwendet werden können, da sie nicht die erforderlichen Elektron Dichte Informationen bieten zwar Fortschritte in diesem Bereich auch mit der jüngsten Entwicklung der Herr LINACS gemacht werden. Als solche ist eine kombinierte CT/MRI-Dataset die Methode der Wahl für die Planung der Bestrahlung von malignem Gliom, enthält sowohl die Informationen, die notwendig sind für die Ausrichtung (MRT-basierte Bände) und Dosis Berechnungen (CT-basierte Elektronendichte).
Um die Lücke zwischen kleinen tierischen Bestrahlung und klinische Routine zu verringern, muss MRI eindeutig in die Arbeitsabläufe der Mikro-Brutapparat, integriert werden, erfordern eine ordnungsgemäße Anmeldung zwischen MRT und CT, die alles andere als trivial ist. In diesem Papier, unser Protokoll für MRT-geführte 3D konformalen Bestrahlung von F98 Glioblastom bei Ratten diskutiert wird, veröffentlichte die seit kürzlich17.
Obwohl mit CT und MRT in den Workflow der Mikro-Brutapparat ein deutlicher Schritt nach vorne in der kleinen tierischen Bestrahlung Forschung ist, erlauben diese anatomischen bildgebenden Verfahren nicht immer eine vollständige Definition des Ziel-Volume. Pathologische Veränderungen im Gehirn auf CT und MRI zeichnen sich durch erhöhten Wassergehalt (Ödeme) und Austritt von Blut – Hirn-Schranke oder Kontrastverstärkung. Allerdings sind Kontrastverstärkung und hyper-intensive Bereiche im T2-gewichteten MRT nicht immer ein genaues Maß der Tumor Ausdehnung.Tumorzellen wurden weit über den Rand der Kontrastverstärkung12festgestellt. Darüber hinaus können keine dieser Techniken identifizieren die aggressivsten Teile innerhalb des Tumors verantwortlich für therapeutische Widerstand und Tumor-Rezidiv sein können. Daher zielen Zusatzinformationen aus molekularen bildgebenden Verfahren wie PET einen Mehrwert für RT haben Volumen Definition, weil diese Techniken ermöglichen es den biologischen Wege in Vivo12,18zu visualisieren, 19.
Im Jahr 2000 Konzept Ling Et Al. das der biologischen Zielvolumen (BTV) durch die Integration von anatomischen und funktionellen Bildgebung in der Strahlentherapie Workflow, zu was sie mehrdimensionale konformalen Strahlentherapie20genannt. Dies schafft die Möglichkeit zur Verbesserung der Dosis gezielt durch die Bereitstellung einer ungleichmäßigen Dosis an eine Zielregion mit zum Beispiel PET-Bildern. Die am weitesten verbreitete PET-Tracer für Tumor-Staging und zur Überwachung der Behandlung Antwort ist Fluor-18 (18F) mit der Bezeichnung Fluorodeoxyglucose (FDG), die die Glukose-Stoffwechsel-21visualisiert. Im Kopf-Hals-Tumoren haben frühere Studien gezeigt, dass der Einsatz von 18F-FDG-PET, eine bessere Einschätzung der tatsächlichen Tumorvolumen geführt, definiert durch die pathologischen Proben, im Vergleich mit CT und MRT22. In primäre Gehirn haben Tumoren, wo FDG nicht aufgrund der sehr starken Hintergrund-Signal aus dem normalen Gehirn, Aminosäuren, wie z. B. 11C-Methionin und vor kurzem 18F-Fluoroetthyltyrosine (FET) nützlich ist, untersucht worden für den GTV Abgrenzung mit oft deutliche Unterschiede zwischen den Aminosäuren-PET und MRT-basierte GTVs23. Allerdings wurde noch keine prospektiven Studie untersucht die Bedeutung dieses Befundes durchgeführt. In dieser Studie werden die Aminosäuren-Tracer- 18F-FET und Hypoxie Tracer 18F-Fluoroazomycin-Arabinoside (18F-FAZA) ausgewählt. 18 F-FET und 18F-FAZA wurden ausgewählt, da eine erhöhte Aufnahme der Aminosäure stark mit der Proliferationsrate in GB Tumoren korreliert ist, während Aufnahme von einer Hypoxie PET-Tracer mit Widerstand (Chemo) Strahlentherapie18 korreliert ist , 23. Teilvolumen Steigerung mit Mikro-Brutapparat wurde optimiert, indem eine zusätzliche Strahlendosis zu einer PET-definierten Teil des Tumors F98 GB bei Ratten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Um genaue Bestrahlung des Ziels Glioblastom Tumor im Rattengehirn zu erreichen, reichte die Mikro-Brutapparat on-Board-CT-Führung nicht aus. Hirntumoren sind aufgrund unzureichender Weichgewebe Kontrast, kaum sichtbar, auch wenn Kontrastverstärkung verwendet werden würde. Als solche muss MRI aufgenommen werden, um eine präzisere Bestrahlung zu ermöglichen. Mit einem sequentiellen Herr Erwerb auf einem 7 T-System und eine CT-Übernahme auf der Mikro-Brutapparat waren wir in der Lage, gezielt die Dosis auf den Kontras…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Stichting Luka Hemelaere und Soroptimist International für die Unterstützung dieser Arbeit danken.
Materials
| GB RAT model | |||
| F98 Glioblastoma cell line | ATCC | CRL-2397 | |
| Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | N/A | http://www.criver.com/products-services/basic-research/find-a-model/fischer-344-rat |
| Micropump system | World Precision Instruments | UMP3 | Micro 4: https://www.wpiinc.com/products/top-products/make-selection-ump3-ultramicropump/#tabs-1 |
| Stereotactic frame | Kopf | 902 | Model 902 Dual Small Animal Stereotaxic frame |
| diamant drill | Velleman | VTHD02 | https://www.velleman.eu/products/view/?id=370450 |
| Bone wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/products/wound-closure/hemostatic-bone-wax |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| InfraPhil IR lamp | Philips | HP3616/01 | |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cell culture | |||
| DMEM | Invitrogen | 14040-091 | |
| Penicilline-streptomycine | Invitrogen | 15140-148 | |
| L-glutamine | Invitrogen | 25030-032 | |
| Fungizone | Invitrogen | 15290-018 | |
| Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25300-062 | |
| PBS | Invitrogen | 14040-224 | |
| Falcons | Thermo Scientific | 178883 | 175 cm2 nunclon surface, disposables for cell culture with filter caps |
| Cell freezing medium | Sigma-aldrich | C6164 | Cell Freezing Medium-DMSO, sterile-filtered, suitable for cell culture, endotoxin tested |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Animal irradiation | |||
| Micro-irradiator | X-strahl | SARRP | |
| software for irradiation | X-strahl | MuriPlan | pre-clinical treatment planning system (PCTPS), version 2.0.5. |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal PET | |||
| microPET system possibility 1 | Molecubes | B-Cube | http://www.molecubes.com/b-cube/ |
| microPET system possibility 2 | TriFoil Imaging, Northridge CA | FLEX Triumph II | http://www.trifoilimaging.com |
| PET tracers | In-house made | 18F-FDG, 18F-FET, 18F-FAZA, 18F-Choline | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal MRI | |||
| microMRI system | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan/overview.html |
| Dotarem contrast agent | Guerbet | MRI contrast agent, Dotarem 0,5 mmol/ml | |
| rat whole body transmitter coil | Rapid Biomedical | V-HLS-070 | |
| rat brain surface coil | Rapid Biomedical | P-H02LE-070 | |
| Water-based heating unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
| 30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | 30 G |
| PE 10 tubing (60 cm/injection) | Instech laboratories, Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x .024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
| non-heparinised micro haematocrit capillaries | GMBH | 7493 21 | these capillaries are filled with water to create markers visible on MRI and CT |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Consumables | |||
| isoflurane: Isoflo | Zoetis | B506 | Anaesthesia |
| ketamine: Ketamidor | Ecuphar | Anaesthesia | |
| xylazine: Sedaxyl | Codifar NV | Anaesthesia | |
| catheter | Terumo | Versatus-W | 26G |
| Temozolomide | Sigma-aldrich | T2577-100MG | chemotherapy |
| DMSO | Sigma-aldrich | 276855-100ML | |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Image analysis | |||
| PMOD software | PMOD technologies LLC | PFUS (fusion tool) | biomedical image quantification software (BIQS), version 3.405, https://www.pmod.com/web/?portfolio=22-image-processing-pfus |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Anesthesia-equipment | |||
| Anesthetic movabe unit | ASA LTD | ASA 0039 | ASA LTD, 5 valley road, Keighley, BD21 4LZ |
| Oxygen generator | Veterinary technics Int. | 7F-3 | BDO-Medipass, Ijmuiden |
Referenzen
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