Modellering van hersenmetastasen door middel van intracraniale injectie en magnetische resonantie beeldvorming
Summary
Intracraniale hersenen metastase modellering wordt gecompliceerd door een onvermogen om tumorgrootte en reactie op de behandeling met nauwkeurige en tijdige methoden te controleren. De gepresenteerde methodologie paren intracraniale tumor injectie met magnetische resonantie imaging analyse, die wanneer gecombineerd, cultiveert nauwkeurige en consistente injecties, verbeterde dier monitoring, en nauwkeurige tumor volume metingen.
Abstract
Uitgezaaide verspreiding van kanker is een ongelukkig gevolg van de progressie van de ziekte, agressieve kanker subtypes, en / of late diagnose. Hersenmetastasen zijn bijzonder verwoestend, moeilijk te behandelen, en verlenen een slechte prognose. Terwijl de precieze incidentie van hersenmetastasen in de Verenigde Staten blijft moeilijk te schatten, het is waarschijnlijk te verhogen als extracraniële therapieën blijven effectiever bij de behandeling van kanker. Zo is het noodzakelijk om nieuwe therapeutische benaderingen te identificeren en te ontwikkelen om metastase op deze site te behandelen. Hiertoe is intracraniale injectie van kankercellen een gevestigde methode geworden om hersenmetastase te modelleren. Voorheen was het onvermogen om tumorgroei direct te meten een technische belemmering voor dit model; echter, toenemende beschikbaarheid en kwaliteit van kleine dierlijke beeldvorming modaliteiten, zoals magnetische resonantie imaging (MRI), zijn enorm verbeteren van de mogelijkheid om tumorgroei te controleren in de tijd en veranderingen in de hersenen af te leiden tijdens de experimentele periode. Hierin wordt intracraniale injectie van murine borsttumoren in immunocompetent muizen, gevolgd door MRI, aangetoond. De gepresenteerde injectie aanpak maakt gebruik van isoflurane anesthesie en een stereotactische setup met een digitaal gecontroleerde, geautomatiseerde boor en naald injectie om de precisie te verbeteren, en technische fouten te verminderen. MRI wordt gemeten in de tijd met behulp van een 9,4 Tesla-instrument in de Ohio State University James Comprehensive Cancer Center Small Animal Imaging Shared Resource. Tumor volume metingen worden aangetoond op elk moment door het gebruik van ImageJ. Over het algemeen zorgt deze intracraniale injectiebenadering voor nauwkeurige injectie, dagelijkse monitoring en nauwkeurige tumorvolumemetingen, die samen het nut van dit modelsysteem sterk verbeteren om nieuwe hypothesen op de drivers van hersenmetastasen te testen.
Introduction
Hersenmetastasen komen 10 keer vaker voor dan volwassen primaire centrale zenuwstelsel tumoren1, en zijn gemeld in bijna elke vaste tumor type met longkanker, borstkanker, en melanoom vertonen de hoogste incidentie2. Ongeacht de primaire tumorsite leidt de ontwikkeling van hersenmetastase tot een slechte prognose die vaak gepaard gaat met cognitieve achteruitgang, aanhoudende hoofdpijn, epileptische aanvallen, gedrags- en/of persoonlijkheidsveranderingen1,3,,4,5. In termen van borstkanker, zijn er veel vooruitgang in de preventie en behandeling van de ziekte. Echter, 30% van de vrouwen gediagnosticeerd met borstkanker zal gaan ontwikkelen metastasen, en van degenen met stadium IV ziekte, ongeveer 7% (SEER 2010-2013) hebben hersenmetastase6,7. De huidige behandelingsopties voor metastase van de hersenen omvatten chirurgische resectie, stereotactische radiochirurgie en/of gehele hersenenradiotherapie. Toch, zelfs met deze agressieve therapie, de mediane overleving voor deze patiënten is een korte 8-11 maanden7,,8,9. Deze grimmige statistieken ondersteunen sterk de noodzaak van de identificatie en implementatie van nieuwe, effectieve therapeutische strategieën. Dus, zoals met alle vormen van kanker die metastaseren naar de hersenen, is het essentieel om goed model borstkanker geassocieerde hersenen metastase (BCBM) in het laboratorium om aanzienlijke vooruitgang in het veld te waarborgen.
Tot op heden hebben onderzoekers gebruik gemaakt van een verscheidenheid van methoden om mechanismen van metastase naar de hersenen te bestuderen, elk met duidelijke voordelen en beperkingen10,11. Experimentele metastase methoden zoals staart ader en intracardiac injectie verspreid tumorcellen door het hele lichaam en kan resulteren in immense tumor belasting op andere gemetastaseerde sites, afhankelijk van de geïnjecteerde cellen. Deze resultaten zijn dan verwarrend als specifiek het bestuderen van metastase naar de hersenen. De intracarotid slagader injectie methode is voordelig als het specifiek richt zich op de hersenen zaaien van tumorcellen, maar is beperkt als het technisch moeilijk kan worden uit te voeren. Orthotopische primaire tumorresectie wordt vaak beschouwd als het meest klinisch relevante model van metastase als het de gehele uitgezaaide cascade recapituleert. Toch omvat deze aanpak langdurige wachttijden voor spontane metastase optreden met dramatisch lagere tarieven van hersenuitzaaiingen in vergelijking met de andere gemetastaseerde sites zoals de lymfeklier, de long en de lever. Vaak moeten dieren worden verwijderd uit studies als gevolg van tumorlast op deze andere gemetastaseerde sites voorafgaand aan de ontwikkeling van hersenuitzaaiingen. Andere methoden waarbij de hersenen tropencellijnen zijn effectief bij uitzaaiingen naar de hersenen; echter, deze modellen zijn beperkt in die zin dat ze de tijd nemen om te ontwikkelen en vaak verliezen hun tropisme met voortplanting. Gezien deze beperkingen hebben onderzoekers routinematig gebruik gemaakt van de intracraniale injectiemethode om kankermetastase naar de hersenen te modelleren11,12,13,14 met verschillende methodologieën15,16,17,18,19. Er wordt erkend dat deze aanpak op dezelfde manier beperkingen heeft, vooral omdat het geen onderzoek mogelijk maakt van vroege gemetastasure stappen, waaronder intravasatie uit de primaire tumor, penetrance door de bloedhersenbarrière en vestiging in de hersenen. Het maakt het echter wel mogelijk voor onderzoekers om te testen (1) welke tumor afgeleide factoren de groei in de hersenen bemiddelen (bijvoorbeeld genetische manipulatie van een oncogene factor in tumorcellen), (2) hoe veranderingen in de gemetastaseerde micro-omgeving de groei van kanker op deze site veranderen (bijvoorbeeld vergelijking tussen transgene muizen met veranderde stromale componenten) en (3) effectiviteit van nieuwe therapeutische strategieën voor de groei van vastgestelde laesies.
Gezien het potentiële nut van het intracraniale injectiemodel, is het absoluut noodzakelijk om technische fouten tijdens de injectie te verminderen en de tumorgroei in de loop van de tijd nauwkeurig te controleren. De hierin beschreven methode omvat continue doseren van ingeademde gasesthesie, en directe implantatie van tumorcellen in de hersenen parenchyma met behulp van een stereotactische boor en injectie standaard. Het toedienen van gas verdoving zorgt voor het verfijnen van de diepte en lengte van anesthesie en zorgt voor een snel en soepel herstel. Een digitaal gestuurd, geautomatiseerd boor- en naaldinjectiesysteem verbetert de precisie van de injectieplaats en vermindert technische fouten die vaak worden opgelopen door boor- en vrije injectiemethoden. Het gebruik van magnetic resonance imaging (MRI) verhoogt verder de precisie bij het monitoren van tumorgroei, tumorvolume, weefselrespons, tumornecrose en reactie op de behandeling. MRI is de beeldvorming modaliteit van keuze voor zachte weefsels20,21. Deze beeldvormingstechniek maakt geen gebruik van ioniserende straling en heeft de voorkeur boven Computertomografie (CT), vooral voor meerdere beeldvormingssessies in de loop van een studie. MRI heeft een veel groter bereik van de beschikbare zachte weefsel contrast dan CT of echografie (USG) en presenteert anatomie in meer detail. Het is gevoeliger en specifieker voor afwijkingen in de hersenen zelf. MRI kan worden uitgevoerd in elk beeldvormingsvlak zonder het onderwerp fysiek te verplaatsen, zoals het geval is in 2D USG of 2D optische beeldvorming. Het is belangrijk om te vermelden dat de schedel het MRI-signaal niet verzwakt zoals in andere beeldvormende modaliteiten. MRI maakt de evaluatie van structuren die kunnen worden verduisterd door artefacten uit bot in CT of USG. Een bijkomend voordeel is dat er veel contrastmiddelen beschikbaar zijn voor MRI, wat de laesiedetectielimiet verbetert, met een relatief lage toxiciteit of bijwerkingen. Belangrijk is dat MRI monitoring in real-time mogelijk maakt in tegenstelling tot histologische evaluatie op het moment van obductie, die beperkt is in het ontcijferen van tumorvolume. Andere beeldvormingsmodaliteiten, zoals bioluminescente beeldvorming, zijn inderdaad effectief voor vroegtijdige tumordetectie en -monitoring in de loop van de tijd; Deze methode vereist echter genetische manipulatie (bijvoorbeeld luciferase/GFP-tagging) van cellijnen en staat geen volumetrische metingen toe. MRI is verder voordelig als het weerspiegelt patiënt monitoring en downstream volumetrische analyse van de MR beelden is bekend dat sterk gecorreleerd aan histologische tumor grootte bij obductie22. Seriële monitoring met MRI-screening verhoogt ook de klinische monitoring van neurologische stoornissen, mochten ze zich voordoen.
Over het algemeen stelt de gepresenteerde methode van stereotactische intracraniale tumorinjectie, gevolgd door seriële MRI, ons in staat om betrouwbare, voorspelbare en meetbare resultaten te produceren om mechanismen van hersenmetastase bij kanker te bestuderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gebruik van intracraniale injectie gevolgd door seriële monitoring met MRI biedt de unieke mogelijkheid om tumorgroei te visualiseren met tumor volume nauwkeurigheid na verloop van tijd. De toepassing van digitale beeldvormingsanalyse maakt interpretatie van hersenletsels voor tumorvolume, bloeding, necrose en reactie op de behandeling mogelijk.
Zoals bij elke procedure, zijn er belangrijke stappen die moeten worden gevolgd voor succes. Ten eerste, zorgvuldige setup van de stereotactische…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Representatieve gegevens werden gefinancierd via het National Cancer Institute (K22CA218472 tot G.M.S.). Intracranial injecties worden uitgevoerd in de Ohio State University Comprehensive Cancer Center Target Validation Shared Resource (Directeur – Dr Reena Shakya) en MRI is voltooid in de Ohio State University Comprehensive Cancer Center Small Animal Imaging Shared Resource (Directeur – Dr Kimerly Powell). Beide gedeelde middelen worden gefinancierd via de OSUCCC, de OSUCCC Cancer Center Support Grant van het National Cancer Institute (P30 CA016058), partnerschappen met de Ohio State University hogescholen en afdelingen, en gevestigde chargeback systemen.
Materials
| Surgical Materials | |||
| Betadine | Purdue Products | 19-027132 | Povidone-iodine, 7.5% |
| Bone Wax | Surgical Specialities | 903 | Sterile and malleable beeswax and isopropyl palmitate |
| Buponorphine SR-Lab | ZooPharm | N/A | Long acting injectable analgesic 5 mL (0.5 mg/mL) polymetric formulation |
| Cotton tip applicators | Puritan | 25-806 10WC | Sterile long stemmed cotton tip applicators |
| Eye Ointment | Puralube | 17033-211-38 | Lubricating petrolatum and mineral oil based ophthalmic ointment |
| Handwarmers | Hothands | HH2 | Air-activated heat packs |
| Ibuprofen | Up & Up | 094-01-0245 | 100mg per 5mL in liquid suspension |
| Isoflurane | Henry Schein INC | 1182097 | Liquid anesthetic for use in anesthetic vaporizer |
| Scalpels | Integra Miltex | 4-410 | #10 disposable scalpel blade |
| Skin Glue | Vetbond | 1469SB | Skin safe wounds adhesive |
| Sterile Dressing | TIDI Products | 25-517 | Individually packed sterile drapes |
| Suture | Covidien | SP5686G | 45cm swedged 5-0 monofilament polypropylene suture |
| Stereotaxic Unit | |||
| High Speed Drill (Foredom) | Kopf | Model 1474 | Max of 38,000 RPM |
| Mouse Gas Anesthesia Head Holder | Kopf | Model 923-B | Mouth bar with teeth hole and nosecone |
| Non-Rupture Ear Bars | Kopf | Model 922 | Ear bars suitable for mouse applications |
| Stereotaxic Instrument | Kopf | Model 940 | Base plate, frame and linear scale assembly with digital readout monitor |
| Injector | |||
| Injector Needle and syringe | Hamilton | 80366 | 26 gauge needle, 51 mm needle length and 10 μL volume syringe |
| Legato 130A automated Syringe Pump | KD Scientific | P/N: 788130 | Programmable touch screen base with automated injector |
| Anesthesia Machine | |||
| SomnoSuite Low-Flow Digital Vaporizer | Kent Scientific | SS-01 | Digital anesthesia machine |
| SomnoSuite Starter Kit for mice | Kent Scientific | SOMNO-MSEKIT | Includes induction chamber, 2x anesthesia syringes, 18" tubing, plastic nosecone, 2x waste aneshesia gas canisters |
Referencias
- Lin, X., DeAngelis, L. M. Treatment of Brain Metastases. Journal of Clinical Oncology. 33 (30), 3475-3484 (2015).
- Ostrom, Q. T., Wright, C. H., Barnholtz-Sloan, J. S. Brain metastases: epidemiology. Handbook of Clinical Neurology. 149, 27-42 (2018).
- Eichler, A. F., et al. The biology of brain metastases-translation to new therapies. Nature Reviews Clinical Oncology. 8 (6), 344-356 (2011).
- Steeg, P. S., Camphausen, K. A., Smith, Q. R. Brain metastases as preventive and therapeutic targets. Nature Reviews Cancer. 11 (5), 352-363 (2011).
- Valiente, M., et al. The Evolving Landscape of Brain Metastasis. Trends in Cancer. 4 (3), 176-196 (2018).
- Wang, H., et al. The prognosis analysis of different metastasis pattern in patients with different breast cancer subtypes: a SEER based study. Oncotarget. 8 (16), 26368-26379 (2017).
- Wang, R., et al. The Clinicopathological features and survival outcomes of patients with different metastatic sites in stage IV breast cancer. BMC Cancer. 19 (1), 1091 (2019).
- Gong, Y., Liu, Y. R., Ji, P., Hu, X., Shao, Z. M. Impact of molecular subtypes on metastatic breast cancer patients: a SEER population-based study. Scientific Reports. 7, 45411 (2017).
- Kim, Y. J., Kim, J. S., Kim, I. A. Molecular subtype predicts incidence and prognosis of brain metastasis from breast cancer in SEER database. Journal of Cancer Researchearch and Clinical Oncology. 144 (9), 1803-1816 (2018).
- Gomez-Cuadrado, L., Tracey, N., Ma, R., Qian, B., Brunton, V. G. Mouse models of metastasis: progress and prospects. Disease Models & Mechanisms. 10 (9), 1061-1074 (2017).
- Kodack, D. P., Askoxylakis, V., Ferraro, G. B., Fukumura, D., Jain, R. K. Emerging strategies for treating brain metastases from breast cancer. Cancer Cell. 27 (2), 163-175 (2015).
- Meisen, W. H., et al. Changes in BAI1 and nestin expression are prognostic indicators for survival and metastases in breast cancer and provide opportunities for dual targeted therapies. Molecular Cancer Therapeutics. 14 (1), 307-314 (2015).
- Russell, L., et al. PTEN expression by an oncolytic herpesvirus directs T-cell mediated tumor clearance. Nature Communications. 9 (1), 5006 (2018).
- Thies, K. A., et al. Stromal platelet-derived growth factor receptor-beta signaling promotes breast cancer metastasis in the brain. Investigación sobre el cáncer. , (2020).
- Kramp, T. R., Camphausen, K. Combination radiotherapy in an orthotopic mouse brain tumor model. Journal of Visualized Experiments. (61), e3397 (2012).
- Pierce, A. M., Keating, A. K. Creating anatomically accurate and reproducible intracranial xenografts of human brain tumors. Journal of Visualized Experiments. (91), e52017 (2014).
- Abdelwahab, M. G., Sankar, T., Preul, M. C., Scheck, A. C. Intracranial implantation with subsequent 3D in vivo bioluminescent imaging of murine gliomas. Journal of Visualized Experiments. (57), e3403 (2011).
- Donoghue, J. F., Bogler, O., Johns, T. G. A simple guide screw method for intracranial xenograft studies in mice. Journal of Visualized Experiments. (55), (2011).
- Ozawa, T., James, C. D. Establishing intracranial brain tumor xenografts with subsequent analysis of tumor growth and response to therapy using bioluminescence imaging. Journal of Visualized Experiments. (41), (2010).
- Fink, J. R., Muzi, M., Peck, M., Krohn, K. A. Multimodality Brain Tumor Imaging: MR Imaging, PET, and PET/MR Imaging. Journal of Nuclear Medicine. 56 (10), 1554-1561 (2015).
- Borges, A. R., Lopez-Larrubia, P., Marques, J. B., Cerdan, S. G. MR imaging features of high-grade gliomas in murine models: how they compare with human disease, reflect tumor biology, and play a role in preclinical trials. American Journal of Neuroradiology. 33 (1), 24-36 (2012).
- Prabhu, S. S., Broaddus, W. C., Oveissi, C., Berr, S. S., Gillies, G. T. Determination of intracranial tumor volumes in a rodent brain using magnetic resonance imaging, Evans blue, and histology: a comparative study. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 47 (2), 259-265 (2000).
- Borowsky, A. D., et al. Syngeneic mouse mammary carcinoma cell lines: two closely related cell lines with divergent metastatic behavior. Clinical & Experimental Metastasis. 22 (1), 47-59 (2005).
- Journal of Visualized Experiments. JoVE Science Education Database. Lab Animal Research. Compound Administration I. Journal of Visualized Experiments. , (2020).
- Abramoff, M. D., Magelhaes, P. J., Ram, S. J. Image Processing with ImageJ. Biophotonics International. 11, 36-42 (2004).
- Lee, D., Marcinek, D. Noninvasive in vivo small animal MRI and MRS: basic experimental procedures. Journal of Visualized Experiments. (32), (2009).
- Shah, N., et al. Investigational chemotherapy and novel pharmacokinetic mechanisms for the treatment of breast cancer brain metastases. Pharmacological Research. 132, 47-68 (2018).
