PET e MRI guidate irradiazione di un modello del ratto di Glioblastoma utilizzando un Micro-irradiatore
Summary
In passato, piccolo animale irradiazione solitamente è stato effettuato senza la possibilità di indirizzare un volume del tumore ben delineati. L’obiettivo era quello di imitare il trattamento del glioblastoma umano in ratti. Utilizza una piattaforma piccola irradiazione degli animali, abbiamo effettuato MRI-guida 3D conformal irradiazione con PET-base sub-volume d’amplificazione in un ambiente preclinico.
Abstract
Per decenni, ricerca di piccolo animale radiazione principalmente è stato effettuato usando abbastanza grezzi messe a punto sperimentali applicando semplici tecniche di una trave senza la possibilità di indirizzare un volume del tumore specifico o ben delineati. La consegna di radiazione è stata realizzata utilizzando sorgenti di radiazioni fisso o acceleratori lineari, producendo raggi x megavoltage (MV). Questi dispositivi sono in grado di raggiungere sub-millimetrica precisione richiesta per piccoli animali. Inoltre, le dosi elevate consegnato alla valutazione della risposta sana circostante tessuto ceste. Per aumentare la traduzione tra piccoli studi sugli animali e gli esseri umani, il nostro obiettivo era quello di imitare il trattamento del glioblastoma umano in un modello del ratto. Per attivare un’irradiazione più accurata in un ambiente preclinico, recentemente, piattaforme di ricerca guidata da immagini piccolo animale radiazione di precisione sono stati sviluppati. Simile a umani sistemi di pianificazione, pianificazione su queste micro-irradiatori del trattamento si basa su tomografia computata (CT). Tuttavia, basso contrasto dei tessuti molli sul CT rende molto difficile da localizzare bersagli in alcuni tessuti, come il cervello. Di conseguenza, incorporando la risonanza magnetica (MRI), che ha un eccellente contrasto di molli rispetto al CT, consentirebbe una delineazione più precisa dell’obiettivo per irradiazione. Nelle ultime tecniche decennio di imaging anche biologici, come la tomografia a emissione di positroni (PET) ha riscosso interesse orientativa trattamento terapia di radiazioni. PET consente la visualizzazione di ad es., consumo del glucosio, trasporto dell’amminoacido o ipossia, presente nel tumore. Targeting quelle parti altamente proliferative o radio-resistente del tumore con una dose più elevata potrebbe dare un vantaggio di sopravvivenza. Questa ipotesi ha condotto all’introduzione del volume del tumore biologico (BTV), oltre il volume di destinazione lordo convenzionale (GTV), volume bersaglio clinico (CTV) e volume bersaglio pianificato (PTV).
Presso il laboratorio di imaging preclinico dell’Università di Gand, un micro-irradiatore, un piccolo animale PET e un animale di piccola T 7 MRI sono disponibili. L’obiettivo era di incorporare irradiazione MRI-guidato e animale-guida sub-volume d’amplificazione in un modello del ratto di glioblastoma.
Introduction
Glioma di alto grado è il tumore cerebrale maligno più comune e più aggressivo in adulti con una sopravvivenza mediana di 1 anno nonostante le modalità correnti di trattamento. Lo standard di cura comprende maximal resezione chirurgica seguita da radioterapia esterna del fascio combinato (RT) e temozolomide (TMZ), seguita da manutenzione TMZ1,2,3. Sin dall’introduzione di TMZ ora più di 15 anni fa, non sono stati apportati miglioramenti significativi nel trattamento di questi tumori. Di conseguenza, l’implementazione di nuove strategie terapeutiche è urgente ma dovrebbe essere esaminato in primo luogo nei modelli di terapia del cancro di animali piccoli (per lo più topi e ratti). Modelli del roditore del tumore-cuscinetto possono essere utilizzati per studiare l’efficacia dei protocolli di radiazione nuovi e complessi, possibilmente combinato con altri agenti di trattamento (nuovo), per valutare la risposta di radiazione o per ricercare agenti radio-protettivi. Dei principali vantaggi della ricerca preclinica di radiazione è la capacità di lavorare in condizioni sperimentali controllate utilizzando larghe coorti conseguente resa dati accelerata a causa le durate della vita più breve dei roditori. I risultati preclinici quindi dovrebbero essere tradotta in una sperimentazione clinica in un modo molto più veloce e più efficiente rispetto all’attuale prassi4.
Esperimenti di piccolo animale radiazioni negli ultimi decenni sono stati raggiunti in genere utilizzando radiazione fisso fonti5,6,7, ad esempio, 137Cs e 60Co, isotopi, o lineare acceleratori destinato ad uso clinico umano, l’applicazione di un campo di radiazione singolo con raggi x MV6,8,9,10,11. Tuttavia, questi dispositivi non raggiungono sub-millimetrica precisione, che è richiesto per animali di piccola taglia12. Inoltre, i raggi x MV hanno caratteristiche inadatte per irradiare piccoli bersagli, come un accumulo di dose all’interfaccia aria-tessuto della regione di ingresso del fascio con un limite nell’ordine l’animale stesso misura4,6 ,8,9,10,11. Quest’ultima rende molto impegnativo per trasportare una dose uniforme ad un tumore risparmiando che circonda il cervello normale tessuto4,8,9,10,11. Quindi, non è chiaro in quali gli studi sugli animali corrente di misura sono ancora rilevanti per moderno RT pratica12. A questo proposito, recentemente sviluppati tridimensionale (3D) conformal piccolo animale micro-irradiatori sono promettenti per colmare il divario tecnologico tra 3D immagine-guida RT tecniche avanzate, quali la radioterapia ad intensità modulata (IMRT) o conformi archi utilizzati in esseri umani ed attuale piccolo animale irradiazione4,13. Queste piattaforme fanno uso di una sorgente di raggi x di kilovoltage (kV) per ottenere penumbras tagliente e per evitare l’accumulo di dose. Queste piattaforme includono una fase comandata da calcolatore per animale posizionamento, un kV sorgente di raggi x per immagini e radioterapia, un assembly di rotazione gantry per consentire la consegna di radiazione da varie angolazioni e un sistema di collimazione per modellare il fascio di radiazioni 4. nel 2011, un micro-irradiatore è stato installato presso il laboratorio di imaging preclinico dell’Università di Gand (Figura 1). Questo sistema è simile alla pratica moderna radioterapia umano e consente una grande varietà di esperimenti preclinici, come la sinergia di radiazione con altre terapie, combinazioni di radiazione complessi e studi di spinta di immagine-guida sub-target.
Pianificazione su queste micro-irradiatori del trattamento si basa sul CT, che equivale a umano pianificazione sistemi14,15. Per formazione immagine di CT, un rivelatore di raggi x a bordo è usato in combinazione con il tubo radiogeno kV stesso che viene utilizzato durante il trattamento. Formazione immagine di CT viene utilizzata in quanto consente per un posizionamento accurato degli animali e fornisce le informazioni necessarie per il calcolo della dose individuale radiazione tramite segmentazione. Tuttavia, a causa del basso contrasto del morbido-tessuto in CT imaging, tumori nel cervello di animali di piccole taglia, come il glioma di prima scelta, non possono essere facilmente delineati. L’incorporazione di imaging multi-modalità è pertanto necessario per una delineazione del volume target preciso. Rispetto al CT, MRI fornisce il contrasto morbido-tessuto notevolmente superiore. Questo lo rende molto più facile visualizzare i confini della lesione che si tradurrà in una molto migliore delineazione del volume bersaglio, contribuendo a meglio irradiare la lesione ed evitare che circonda il tessuto, come illustrato Figura 24, 16. Un ulteriore vantaggio è che la risonanza magnetica utilizza radiazioni non-ionizzanti, a differenza di CT che utilizza radiazioni ionizzanti. Gli svantaggi principali di MRI sono i tempi di acquisizione relativamente lunghi e costi operativi elevati. È importante notare che le esplorazioni di MRI non possono essere utilizzate per il calcolo della dose, come non forniscono le informazioni di densità dell’elettrone richiesto, anche se si registrano progressi in questo campo, anche con il recente sviluppo di MR-Linac. Come tale, un set di dati combinati di CT/MRI è il metodo di scelta per la pianificazione l’irradiazione del glioma maligno, contenente sia le informazioni necessarie per il targeting (volumi basati su MRI) e per il calcolo della dose (densità dell’elettrone basati su CT).
Per diminuire il divario tra irradiazione di animali piccolo e routine clinica, MRI chiaramente deve essere integrata nel flusso di lavoro di micro-irradiatore, che richiedono una registrazione corretta tra MRI e CT, che è tutt’altro che banale. In questa carta, il nostro protocollo per MRI-guida 3D conformal irradiazione di F98 glioblastoma in ratti è discussa, che è stato recentemente pubblicato17.
Anche se incorporando CT e MRI del flusso di lavoro di micro-irradiatore è un chiaro passo avanti nella ricerca di piccoli animali irradiazione, queste tecniche di imaging anatomiche non sempre consentono una definizione completa del volume di destinazione. Le mutazioni patologiche nel cervello il CT e MRI sono caratterizzate da maggiore contenuto d’acqua (edema) e perdita della barriera emato – encefalica o aumento di contrasto. Tuttavia, sia aumento di contrasto e iper-intense aree su T2-weighted MRI non sono sempre una misura accurata dell’estensione del tumore.Le cellule del tumore sono state rilevate ben oltre i margini di aumento di contrasto12. Inoltre, nessuna di queste tecniche può identificare le parti più aggressive all’interno del tumore, che può essere responsabile di resistenza terapeutica e ricorrenza del tumore. Di conseguenza, ulteriori informazioni da tecniche di imaging molecolare come animale domestico può avere un valore aggiunto per RT volume individuazione del target perché queste tecniche permettono di visualizzare percorsi biologici in vivo12,18, 19.
Nel 2000, Ling et al ha introdotto il concetto di volume bersaglio biologico (BTV) integrando imaging anatomico e funzionale nel flusso di lavoro di radioterapia, portando a quello che loro chiamano la radioterapia conformal multidimensionali20. Questo crea la possibilità di migliorare la dose di targeting formulando una dose non uniforme per un’area di destinazione utilizzando ad esempio immagini PET. Il più usato traccianti PET per la stadiazione del tumore e per monitorare il trattamento risposta è fluor-18 (18F) con l’etichetta del fluorodeoxyglucose (FDG), che Visualizza il metabolismo di glucosio21. Nel cancro della testa e del collo, studi precedenti hanno dimostrato che l’uso di 18F-FDG PET hanno portato a una migliore stima del volume del tumore effettivo, come definito dagli esemplari patologici, confrontati con il CT e MRI22. In cerebrali primari tumori, dove FDG non è utile a causa del segnale di fondo molto forte dal cervello normale, gli aminoacidi, come 11C-metionina e, più recentemente, 18F-fluoroetthyltyrosine (FET), sono stati studiati per GTV delineazione con spesso marcate differenze tra amminoacido PET e basati su MRI GTVs23. Tuttavia, nessuna prova futura indagare il significato di questa scoperta è stata effettuata ancora. In questo studio, abbiamo selezionato l’ amminoacido tracciante 18F-FET e l’ipossia tracciante 18F-fluoroazomycin-arabinoside (18F-FAZA). 18 F-FET e 18F-FAZA sono stati selezionati perché un maggiore assorbimento di aminoacidi è fortemente correlato con il tasso di proliferazione in tumori GB, mentre l’assorbimento di un’ipossia PET-tracciante è correlato con la resistenza a (chemio) radioterapia18 , 23. sub-volume d’amplificazione usando la micro-irradiatore è stato ottimizzato dando una dose di radiazione supplementare ad una parte del tumore in ratti F98 GB PET-definito.
Protocol
Representative Results
Discussion
Per raggiungere irradiazione accurata del bersaglio del tumore glioblastoma nel cervello del ratto, Consiglio di CT di micro-irradiatore a bordo non era sufficiente. I tumori cerebrali sono difficilmente visibili a causa di contrasto insufficiente dei tessuti molli, anche se l’aumento di contrasto sarebbe stato utilizzato. Come tale, MRI deve essere incluso per consentire l’irradiazione più precisa. Utilizzando un’acquisizione di MR sequenziale su un sistema di T 7 e un’acquisizione di CT su micro-irradiatore di che sia…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrei ringraziare Stichting Luka Hemelaere e Soroptimist International per sostenere questo lavoro.
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
- Stupp, R., et al. Promising survival for patients with newly diagnosed glioblastoma multiforme treated with concomitant radiation plus temozolomide followed by adjuvant temozolomide. J Clin Oncol. 20 (5), 1375-1382 (2002).
- Dhermain, F. Radiotherapy of high-grade gliomas: current standards and new concepts, innovations in imaging and radiotherapy, and new therapeutic approaches. Chin J Cancer. 33 (1), 16-24 (2014).
- Ahmed, R., et al. Malignant gliomas: current perspectives in diagnosis, treatment, and early response assessment using advanced quantitative imaging methods. Cancer Manag Res. 6, 149-170 (2014).
- Verhaegen, F., Granton, P., Tryggestad, E. Small animal radiotherapy research platforms. Phys Med Biol. 56 (12), R55-R83 (2011).
- Kinsella, T. J., Vielhuber, K. A., Kunugi, K. A., Schupp, J., Davis, T. W., Sands, H. Preclinical toxicity and efficacy study of a 14-day schedule of oral 5-iodo-2-pyrimidinone-2-deoxyribose as a prodrug for 5-iodo-2-deoxyuridine radiosensitization in U251 human glioblastoma xenografts. Clin Cancer Res. 6 (4), 1468-1475 (2000).
- Vellimana, A. K., et al. Combination of paclitaxel thermal gel depot with temozolomide and radiotherapy significantly prolongs survival in an experimental rodent glioma model. J Neurooncol. 111 (3), 229-236 (2012).
- Kioi, M., Vogel, H., Schultz, G., Hoffman, R. M., Harsh, G. R., Brown, J. M. Inhibition of vasculogenesis, but not angiogenesis, prevents the recurrence of glioblastoma after irradiation in mice. J Clin Invest. 120 (3), 694-705 (2010).
- Vinchon-Petit, S., Jarnet, D., Jadaud, E., Feuvret, L., Garcion, E., Menei, P. External irradiation models for intracranial 9L glioma studies. J Exp Clin Cancer Res. 29, 142 (2010).
- Yang, W., et al. Convection enhanced delivery of carboplatin in combination with radiotherapy for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 101 (3), 379-390 (2011).
- Rousseau, J., et al. Efficacy of intracerebral delivery of cisplatin in combination with photon irradiation for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 98 (3), 287-295 (2010).
- Baumann, B. C., et al. An integrated method for reproducible and accurate image-guided stereotactic cranial irradiation of brain tumors using the small animal radiation research platform. Transl Oncol. 5 (4), 230-237 (2012).
- Grosu, A. -. L., et al. Implications of IMT-SPECT for postoperative radiotherapy planning in patients with gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 54 (3), 842-854 (2002).
- Butterworth, K. T., Prise, K. M., Verhaegen, F. Small animal image-guided radiotherapy: Status, considerations and potential for translational impact. Br J Radiol. 88 (1045), 4-6 (2015).
- Aird, E. G. A., Conway, J. CT simulation for radiotherapy treatment planning. Br J Radiol. 75 (900), 937-949 (2002).
- Baker, G. R. Localization: Conventional and CT simulation. Br J Radiol. 79 (Spec No 1). , S36-S49 (2006).
- Corroyer-Dumont, A., et al. MRI-guided radiotherapy of the SK-N-SH neuroblastoma xenograft model using a small animal radiation research platform. Br J Radiol. 90 (1069), 20160427 (2017).
- Bolcaen, J., et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). J Neurooncol. 120 (2), 257-266 (2014).
- Niyazi, M., et al. FET-PET for malignant glioma treatment planning. Radiother Oncol. 99 (1), 44-48 (2011).
- Grosu, A. L., et al. First experience with I-123-alpha-methyl-tyrosine SPECT in the 3-D radiation treatment planning of brain gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (2), 517-526 (2000).
- Ling, C. C., et al. Towards multidimensional radiotherapy (MD-CRT):biological imaging and biological conformality. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (3), 551-560 (2000).
- Wahl, R. L., Jacene, H., Kasamon, Y., Lodge, M. A. From RECIST to PERCIST: Evolving Considerations for PET response criteria in solid tumors. J Nucl Med. 50 (5), 122S-150S (2009).
- Daisne, J. F., et al. Tumor volume in pharyngolaryngeal squamous cell carcinoma: comparison at CT, MR imaging, and FDG PET and validation with surgical specimen. Radiology. 233 (1), 93-100 (2004).
- Grosu, A. -. L., Weber, W. PET for radiation treatment planning of brain tumours. Radiother Oncol. 96 (3), 325-327 (2010).
- Banissi, C., Ghiringhelli, F., Chen, L., Carpentier, A. F. Treg depletion with a low-dose metronomic temozolomide regimen in a rat glioma model. Cancer Immunol Immunother. 58, 1627-1634 (2009).
- Robinson, C. G., et al. Effect of alternative temozolomide schedules on glioblastoma O(6)-methylguanine-DNA methyltransferase activity and survival. Br J Cancer. 103, 498-504 (2010).
- España, S., Marcinkowski, R., Keereman, V., Vandenberghe, S., Van Holen, R. DigiPET: sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators. Phys Med Biol. 59 (13), 3405 (2014).
