Оценка наночастиц в опухоли в реальном времени с помощью Прижизненные изображения

Summary

Мы представляем новый подход к количественному наночастиц локализации в сосудистой от человека xenografted опухолей с использованием динамических, в режиме реального времени прижизненных изображений в модели птичьего эмбриона.

Abstract

Современные технологии для визуализации опухоли, такие, как УЗИ, МРТ, ПЭТ и КТ, не в состоянии уступить изображений высокого разрешения для оценки наночастиц в опухолях на микроскопическом уровне ^{1,2,3, подчеркивая} полезность подходящую модель ксенотрансплантата , в которых проводить детальный анализ поглощения. Здесь мы используем высоким разрешением прижизненной визуализации для оценки наночастиц в опухоли человека ксенотрансплантаты в модифицированном, раковины менее куриного эмбриона модели. Модель куриный эмбрион особенно хорошо подходят для этих анализов в естественных условиях, поскольку он поддерживает рост опухолей человека, является относительно недорогим и не требует анестезии или хирургического вмешательства 4,5. Опухолевые клетки образуют полностью васкуляризированной ксенотрансплантаты в течение 7 дней, когда имплантируется в chorioallantoic мембраны (CAM) ^6. В результате опухоли визуализируются с помощью неинвазивных в реальном времени с высоким разрешением изображения, которые могут быть сохранены в течение 72 часов с минимальным воздействием на любой хост или опухоли систем. Наночастицы с широким диапазоном размеров и составов вводить дистальнее опухоли могут быть визуализированы и количественно по мере их прохождения через кровь, вытекать из сосудов в ткань с вытекающей сосудистая опухоль, и накапливаются в опухоли. Мы описываем здесь анализ наночастиц основе вируса мозаики коровьего гороха (CPMV), украшенная ближней инфракрасной флуоресцентные красители и / или полиэтиленгликоль полимеров (ПЭГ) ^{7, 8, 9,10,11.} После внутривенного введения этих вирусных наночастиц быстро усвоены эндотелиальных клеток, что приводит к глобальной маркировки сосудистую как снаружи, так и внутри опухоли ^7,12. PEGylation от вирусных наночастиц увеличивает их полувыведения, расширяет свое время в обращении, и в конечном итоге повышает их накопления в опухоли через повышенной проницаемости и удержания (ЭПР) эффект ^{7, 10,11.} Скорость и степень накопления наночастиц в опухоли измеряется в течение долгого времени с помощью программного обеспечения для анализа изображений. Этот метод дает метод как визуализировать и количественно наночастиц динамики в опухолях человека.

Protocol

1. Прививка от опухоли в CAM птичьего эмбриона Подготовка оболочки менее оплодотворенных эмбрионов куриных, как описано 8. На 9-й день эмбрионального развития, собрать микро-инжектор использованием 18-иглы подключены на 1 мл шприца. Вырезать 5-6 дюймов кусок Tygon трубки (1 / 32 "внутренний диаметр, 3 / 32" наружный диаметр, 1 / 32 "толщина стенки) и аккуратно вставьте скос иглы в трубку. Примерно 4-5 дюймов трубки должны простираются от кончика иглы (рис. 1а). Заполните шприц и трубку с клеточной суспензии. Затем вставьте иглу микроинъекции стекла в конце трубы и тщательно удалить пузырьки воздуха. Inject День 9 эмбрионов (рис. 1б) при вскрытии прицел с подсветкой с 10000-100000 раковые клетки в виде болюса в течение CAM (рис. 1в). Медленно вводить клетки и тщательно обеспечить, чтобы игла находится в правильном месте для клеток для формирования видимых болюсно в CAM. Клетки, которые капать на поверхность CAM можно чистить с помощью Kimwipe или других аппликатора. Вернуться эмбрионов увлажненный инкубаторе при температуре 38 ° С при влажности 60% и позволяет опухоли расти и vascularize (до 7 дней). 2. Подготовка наночастиц Для подготовки флуоресцентно меченных CPMV наночастиц для введения в куриный эмбрион, разбавленный вирусных наночастиц (синтезируется как в 8 в PBS, рН 7,4, до концентрации 100 мкг / мл смеси Vortex задолго до того, использование и центрифуги в течение одной минуты, чтобы удалить. агрегатов. ультразвука также может быть полезна в зависимости от конъюгатов и степени агрегации. Запасы флуоресцентно меченных CPMVs стабильны в течение не менее 1 года при условии хранения при 4 ° С в темноте. Проверьте запасы периодически, поставив пару капель на предметное стекло и проверка флуоресценции. просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) также может быть использован для определения того, частицы остались нетронутыми после сопряжения. Короче говоря, один микрограмм вирусных наночастиц (в конечном объеме 2 мкл) могут быть добавлены к медным покрытием сетки. Затем добавьте равный объем 2% уранилацетата в течение 1 минуты на электронном микроскопе (Philips EM 410). 3. Внутривенное введение флуоресцентно меченных вирусных наночастиц На 16 день, сборки микро-инжектор, как описано выше. Составление требуемого объема вирусных наночастиц через шланг в шприц (> 200 мкл). Осторожно удалите воздушные пузырьки. Вставьте иглу микроинъекции стекла в конце трубы. Убедитесь, что игла тех пор, и конические, насколько возможно (рис. 2а). Если игла слишком тупой, он не сможет проникнуть через эктодермы и не сможет проникнуть в судно. Если игла слишком острым, кончик рухнет, когда проникающая ткани. Внутривенно вводят по 100 мкл 1 мг / мл флуоресцеина декстрана (70000 МВт Да, Invitrogen) в опухоли эмбриона подшипников дистальнее нужный сайт для визуализации (рис. 3). Успешная катетеризация вены CAM видно по очистке крови в пути инъекции потока (рис. 2б). Оценка сосудистой утечки через 1 час после инъекции. Внутривенно вводят 50 мкл 1 мг / мл раствора CPMV-Alexa Fluor 647 (CPMV-AF 647) или пегилированного CPMV-Alexa Fluor 647 (CPMV-ПЭГ-AF 647) в эмбрионы содержащие опухоли с сосудистой утечки дистальных от желаемого сайта быть визуализированы. Изображение опухоли сразу и каждый час после инъекции использованием Zeiss Ревизора Z1 прямой микроскоп оснащен диском Yokogawa спиннинг, Хамамацу ImagEM 9100-12 EM-CCD камерой. 4. В реальном времени прижизненной визуализации Чтобы собрать блок эмбриона изображений, нанесите тонкий слой вакуумной смазки по окружности изображений порта на нижней крышке устройства визуализации эмбриона, и соответствовать 18 мм стекло покровное на порт. Позиция эмбриона, что покровное будет охватывать требуемую область для работы с изображениями. Медленно опустите крышку, пока покровное просто вступает в контакт с эмбриона, а затем винтовой крышкой на единицу, чтобы удерживать его на месте (рис. 2). Добавить воды, нагретой до 37 ° С в блок визуализации эмбриона вне блюдо с эмбриона, а затем поместить весь блок на сцену вертикально конфокальной микроскопии с внутренней экологической камеры доведены до 37 ° C. Установите копи содержащие эмбриона под вращающийся диск конфокальной микроскопии флуоресценции (рис. 2е). Копи проведет эмбриона на месте и держать в поле зрения фиксированной во время захвата изображения, позволяющий как для трехмерных стеков Z и покадровой изображения, которые будут захвачены в плен. Мы приобретаем и анализа трехмерных покадровой изображения с помощью Перкин Элмер (ранее импровизация) Volocity пакет программного обеспечения (рис. 3а). Приобретать высоким разрешением трехмерные стопки опухоли и окружающих сосудистой визуализировать detaileг структурного анализа в определенных временных точках. Приобретать трехмерных стеков в основное время, указывает на карте подробные структурные изменения в сосудистую сеть опухоли. Изображение опухоли каждый час после инъекции. Количественного поглощения вирусных наночастиц рассчитать среднее Alexa Fluor (AF) 647 сигнала в отдельных регионах в опухоли или в строме (неопухолевой область) с использованием образа программного обеспечения, таких как количественный Volocity (Perkin Elmer). Опухоли стромы соотношение было рассчитывается путем деления средней AF 647 сигнал в опухоли на длине AF 647 сигналов в строму. Опухоль / стромы соотношение выше, чем 1 указывает, что наночастицы, рассматриваемых опухоли. 5. Представитель результаты: В примере, описанном здесь, мы вводили HT-29 клетки рака толстой кишки в форме болюса примерно 1 мм размера в течение CAM дня 9 куриных эмбрионов (рис. 1b). После прививки, эмбрионы культивировали в течение 7 дней в увлажненном инкубаторе разрешить достаточный рост опухоли и васкуляризации (рис. 1в). Эмбрионы вводили внутривенно с низким молекулярным весом декстран для подтверждения васкуляризации опухоли и опухоли были визуализированы под Zeiss AxioExaminer Z1 прямой микроскоп (рис. 2г). После внутривенного введения CPMV-AF 647 или CPMV-ПЭГ-AF 647 наночастиц (рис. 3а, б) высокого разрешения в режиме реального времени конфокальной микроскопии (рис. 2е) показало, что оба CPMV и CPMV-ПЭГ наночастицы быстро помечены всей сосудистой сети, но поглощение CPMV-ПЭГ на опухоль была примерно в 3 раза выше, чем CPMV после 12 часов (рис. 3а). Относительное поглощение наночастиц опухоли определяли с помощью анализа изображений программное обеспечение (Volocity от Perkin Elmer). Интересующие регионы были выбраны в пределах и за пределами опухоли (в стромальных ящиком) и средняя интенсивность флуоресценции каждого был определен. Данные выражается как опухоль / стромы отношение. Рисунок 1. Микроинъекция опухолей в CAM от птичьего эмбриона. () Микроинъекции аппарат собирается из компонентов, как указано. (Б) Птичий эмбрионов на 9-й день готовы к засевают опухоли, когда CAM распространился, чтобы покрыть всю поверхность. (С) На 16-й день, опухоль вырастет до до 1 см в диаметре (пунктирная линия) и готов к инъекции наночастиц. Рисунок 2. Инъекции наночастиц и прижизненной визуализации. Инъекция под рассечение микроскопа () кончик иглы microinjector готовы быть введен в вену CAM и (б) иглы microinjector вставляется в вену (указано стрелкой) и наночастиц вводят в кровоток (если смотреть в безналичном крови). (С) изображений единица, содержащая птичьего эмбриона с покровным сопряжены непосредственно с CAM. (Г) До наночастиц инъекции, васкуляризация опухоли оценивается с помощью прижизненного изображения после введения флуоресцеина декстран. (Е) изображений единица, содержащая эмбрион расположен на этапе вертикально конфокальной микроскопии в пределах температуры регулируемой набора корпуса до 37 ° C. Рисунок 3. Прижизненное визуализации наночастиц в опухолях человека. Опухоли визуализируются 7 часов после инъекции () CPMV-AF647 и (б) CPMV-ПЭГ-AF647. г) Иссечение опухоли от птичьего эмбриона для последующего анализа.

Discussion

Chorioallantoic мембраны (CAM) от птичьего эмбриона полезной модели для оценки динамики и сосудистой фармакокинетику опухолей человека. Структура и положение CAM позволяет с высокой приобретение качество изображения и вмещает многих видов рака ксенотрансплантаты без инвазивных хирургических процедур. Более того, ксенотрансплантаты раковой опухоли имплантируются в chorioallantoic мембраны стать васкуляризированной в течение 7 дней, предлагая быстрый, недорогой и полуфабрикатов высокой пропускной средства для оценки накопления наночастиц в опухолевой ткани. Поскольку раковые ксенотрансплантаты имплантированы в CAM оболочки менее куриные эмбрионы были доступны для высокого разрешения оптики вертикально epifluorescence или конфокальной микроскопии, контекстная и временной информации о наночастиц в сосудистую сеть опухоли могут быть легко получены. Рак ксенотрансплантаты в этой модели, как правило, растут с боков через CAM, что приводит к опухоли, которые являются большими, оставаясь при этом менее 200 м в глубину. Это делает их особенно хорошо подходит для прижизненной визуализации потому что стандартные epifluorescence микроскопы могут эффективно проникать всю массу опухоли. В отличие от опухолей, имплантированных в любом поверхностными или ортотопической сайтов внутри мыши размножаются в трех измерениях, что делает ее трудно точно локализовать наночастиц глубоко внутри этих опухолей путем неинвазивных методов. Мы использовали эту модель для оценки поглощения квантовых точек, липосомы и наночастицы оксида железа в число человеческих ксенотрансплантаты опухоли, подчеркивает потенциал для этой модели, чтобы служить для в естественных условиях анализ широкого спектра наночастицы формулировки.

Materials

Reagent Name/Equipment	Company	Catalogue Number	Comments
Fertilized leghorn eggs	Frey`s Hatchery, St. Jacobs	N/A
Dremel rotary tool	Dremel		Can used any model
Dremel cutoff wheels no. 36	Dremel	409
Sportsman hatcher	Berry Hill	1550HA
Sportsman incubator	Berry Hill	1502EA
Ethanol			70% (vol/vol)
Polystyrene weigh boats	VWR	12577-01
Square Petri dishes	Simport, VWR	25378-115
Rubbermaid rubber container with lid	Guillevin	RH3-228-00-BLU	holes drilled into sides
Vertical pipette puller	David Kopf Instruments	model 720	Settings: 16.3 (heater) and 2.3 (solenoid)
Sodium borosilicate glass capillary tubes	Sutter Instrument	BF100-58-10	(OD, 1.0 mm; ID 0.58 mm; 10-cm length)
1X Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM)	Invitrogen	11995073
Dulbecco’s	Invitrogen	14190250	pH 7.4
Phosphate-Buffered Saline (D-PBS) (1X), liquid
Trypsin, 0.05% (1X) with EDTA 4Na, liquid	Invitrogen	25300054
Fetal Bovine Serum	Invitrogen	12483-020	Heat inactivate
Hemocytometer	Hausser Scientific, VWR	15170-090
Centrifuge	Eppendorf model 5810R	5811 000.010
Fine-point forceps	VWR	25607-856
Tygon R-3603 tubing	VWR	63009-983	50 ft (1/32-inch inner diameter, 3/32-inch outer diameter, 1/32-inch wall thickness
Hypodermic needles for injections 18-gauge needles	BD	305195	Box of 100
1 ml syringes for injections	BD	309602	Box of 100
Fiber-optic microscope illuminator	Amscope	HL250-AY	150W
kimwipes	VWR	10805-905
V. unguiculata seeds (California black-eye no. 5)	Burpee	51771A
Indoor growth lights	SunLite, Gardener’s Supply
Methyl-PEO4-NHS ester	Pierce	PI22341
mPEG-NHS, PEG succinimidyl ester, MW 2000	NANOCS	PEG1-0002
Alexa Fluor 647 carboxylic acid (succinimidyl ester)	Invitrogen	A20006
Oregon Green 488 succinimidyl ester * 6-isomer *	Invitrogen	O-6149
Dimethyl sulfoxide (DMSO)	Sigma	D8418
Dibasic monohydrogen phosphate	Sigma	379980	K2HPO4 (for phopshate buffer)
Monobasic dihydrogen phosphate		P5655	KH2PO4 (for phopshate buffer)
Superose 6 size-exclusion column	GE healthcare life sciences	17-0673-01
ÄKTA Explorer 100 Chromatograph	GE Amersham Pharmacia	WS-AKTA100
ÄKTA high flow kit	GE healthcare life sciences	18-1154-85
Sucrose	Sigma	S0389
Ultracentrifuge	Beckman
SW 28 Ti rotor	Beckman	342204	Swing bucket
50.2 Ti rotor	Beckman	337901	Fixed angle
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units	Millipore	UFC910008	100 kDa cut off
Gradient former	Biorad
dextran, fluorescein, 70,000 MW, anionic	Invitrogen	D1823
Spinning disk confocal fluorescence microscope	Quorum; Yokogawa CSU 10, Yokogawa	N/A
Epifluorescence wide-field microscope	Quorum; Zeiss Axio Examiner, Zeiss	N/A
Hamamatsu ImagEM 9100-12 EM-CCD camera	Quorum; Hamamatsu	N/A
Temperature enclosure unit for microscope	Precision Plastics	N/A
Vacuum grease	VWR	59344-055
Circular glass coverslips no. 1 (18 mm)	VWR	16004-300
Volocity software	Perkin Elmer
Chick embryo enclosure		custom fabricated
Delicate scissors	VWR	25608-203
Formalin	Bioshop	FOR201.500	Use in fumehood
Optimal Cutting	Fisher; Tissue Tek	1437365
Temperature (OCT)
Plastic moulds	Fisher	22-038217
VWR VistaVision HistoBond Adhesive Slides	VWR	16004-406
Prolong gold with DAPI	Invitrogen	P36931
Disposable blades for cryostat	Fisher	12-634-2
Cryostat	Leica CM 3050 S	14047033518