En mus tumör-modell av kirurgisk stress används för att undersöka hur postoperativ immunsuppression främjar metastaserad sjukdom och för att utvärdera immunstimulerande perioperativa terapier.
Kirurgisk resektion är en viktig behandling för de flesta cancerpatienter, men kirurgi inducerar dysfunktion i immunsystemet och detta har kopplats till utvecklingen av metastatisk sjukdom i djurmodeller och hos cancerpatienter. Prekliniska arbete från vår grupp och andra har visat en djup suppression av medfödda immunförsvar, specifikt NK-celler i den postoperativa perioden och det spelar en viktig roll i den förbättrade utvecklingen av metastaser efter operation. Relativt få djurstudier och kliniska studier har fokuserat på att karakterisera och vända de skadliga effekterna av cancerkirurgi. Med hjälp av en rigorös djurmodell av spontant metastaserande tumörer och kirurgisk stress, var förbättringen av cancerkirurgi på utvecklingen av lungmetastaser påvisas. I denna modell är 4T1 bröstcancerceller implanterade i mus bröstfettkudden. På dag 14 post tumörimplantering, är en komplett resektion av den primära brösttumör performed hos alla djur. En undergrupp av djur erhåller ytterligare kirurgisk stress i form av en buken nefrektomi. Vid dag 28, är lung tumörnoduli kvantifieras. När immunterapi gavs omedelbart preoperativt, var en djup aktivering av immunceller som förhindrade utvecklingen av metastaser efter operation upptäcks. Medan 4T1 brösttumörkirurgi modell gör det möjligt att simulera effekterna av buken kirurgisk stress på tumörmetastaser, dess tillämplighet på andra tumörtyper måste testas. Den aktuella utmaningen är att identifiera säkra och lovande immunterapier i prekliniska modeller mus och att omsätta dem i livskraftiga perioperativa behandlingar som ges till cancer kirurgi patienter för att förhindra en upprepning av metastaserad sjukdom.
Kirurgi är en kritisk komponent i den botande cancerbehandling av solida tumörer, men trots total resektion, många patienter utvecklar en metastaserande återfall och slutligen dör av sin sjukdom. I allt högre grad den postoperativa perioden, som en följd av den fysiologiska stressrespons till kirurgi, inklusive blodkoagulation, frisättning av tillväxtfaktorer och immunsuppression, är erkänd som kritisk tid för utveckling av metastaser. Vår grupp 1,2 och andra 3-5 har visat att den omedelbara postoperativa perioden är en unikt känslig tid för bildandet av metastaser.
En av de viktigaste mekanismer som ansvarar för de prometastatic effekterna av kirurgi är postoperativ dysfunktion Natur Killer (NK) celler 1-3. NK-celler är cytotoxiska lymfocyter i det medfödda immunförsvaret är involverad i kontrollen av tumörtillväxt och metastaser 6. NK-cell dysfunktion efter operation har dokumenterats in både mänskliga patienter 1,7-9 och djurmodeller 1,10,11. Postoperativ NK cell dämpning korrelerar med ökad metastaser i djurmodeller av spontana och implanterade metastaser 1,11-14, medan i humanstudier, är låg NK aktivitet under den perioperativa perioden i samband med en högre frekvens av cancer återfall och dödlighet 15,16.
Trots detta finns det för närvarande inga cancerbehandlingar särskilt avser de prometastatic förändringar som sker direkt efter cancerkirurgi. Den perioperativa perioden representerar ett terapeutiskt fönster av möjligheter där för att ingripa i den metastatiska processen. Medan traditionella cancerbehandlingar, såsom cytostatika, anses för giftiga för att administreras till patienter som återhämtar sig från större operation 17, immunterapier är perfekta kandidater för perioperativ administration. Perioperativ användning av rekombinant IL-2 och IFN-i ^ har undersökts in tidig fas kliniska studier som visar på deras potential att förhindra postoperativa NK cell dämpning och förbättra progressionsfri överlevnad 18-21. Tyvärr har ytterligare utveckling hindrats av tolerabiliteten av denna ospecifika cytokinbehandling kombinerat med större operationer 17. Virus är också potenta ospecifika aktivatorer av NK-celler. Vår forskning har tidigare visat att preoperativ administration av replikerande virus, såsom nya anti-cancer oncolytic virus (OV) och icke-replikerande virusvacciner, såsom influensavaccin, kan hämma kirurgi-inducerad NK-cell dysfunktion och dämpa metastaserad sjukdom 1,22.
Den kirurgiska modell som beskrivs i detta dokument har underlättat vår förståelse av de mekanismer som är involverade i spridning och tillväxt av tumörceller efter operation och tillät oss att utforska nya riktade terapier som kan administreras i den perioperativa perioden. För att åstadkomma detta mål, ett djurmodell av kirurgisk stress och spontan metastas tuss utvecklas. Modellen utnyttjar mus bröstkarcinom tumörer (BALB / c – 4T1) som har förmåga att spontant bilda metastaser från den primära bröstkörteln till flera avlägsna platser i synnerhet lungorna. På dag 0, är bröstcancerceller implanteras i musen bröstfettkudden. På dag 14 post tumörimplantering görs en fullständig resektion av den primära brösttumör utföras på alla djur. En undergrupp av djur erhåller ytterligare kirurgisk stress i form av en buken nefrektomi. På dag 28, lungtumör knutor i kirurgiskt stressade och ingen operation kontroll möss jämfört isoleras och kvantifieras. I denna djurmodell av cancer och kirurgi, är effekterna av kirurgi på cancermetastaser studeras och effekten av perioperativ administration av innovativa immunterapier, inklusive replikering och icke-replikerande viralt baserade immunstimulerande medel testas för första gången.
Kirurgisk resektion är stöttepelaren i terapi för patienter med lokaliserade solida maligniteter. Även med total resektion, många patienter utvecklar ett metastatiskt återfall och dör slutligen av deras sjukdom. Den omedelbara postoperativa perioden ger en idealisk miljö för bildandet av cancermetastaser, moduleras, till stor del, av postoperativ NK cell förtryck. Trots detta är det fortfarande ett terapeutiskt fönster som till stor del ignoreras. Det finns för närvarande inga standard perioperativa cancerbehandlingar för att förebygga postoperativa metastaser. Den aktuella utmaningen är att identifiera säkra och lovande behandlingar som kommer att aktivera NK-celler i den perioperativa perioden därigenom förhindra etableringen av mikrometa sjukdom. Dessa behandlingar ska noggrant karaktäriseras för säkerhet och effekt i prekliniska djurmodeller och därefter översatt till tänkta kliniska prövningar.
Den primära förhållandetNale utveckla en mus tumörmodell av kirurgisk stress är att undersöka mekanismerna för immunsuppression och metastasering efter operation och utvärdera innovativa immunterapier med potential för framtida användning i cancerpatienter som genomgår kirurgi för att ta bort den primära tumören. För att uppnå detta mål, var en 4T1 murin bröstcancer modell i kombination med kirurgisk stressen utvecklas. Medan 4T1 cellinje är en mus "bröstcancer", är det skäl att använda denna cellinje reproducerbarhet spontana metastaser som gör det möjligt att utvärdera effekterna av kirurgisk stress hos en realistisk cancermodell. I detta sammanhang är mindre viktig än den metastatisk potential och tumörbiologi själva ursprunget till malignitet. Den andra viktiga komponenten i vår modell är att utveckla ett djur kirurgiskt ingrepp för att likna mänsklig cancerkirurgi. I detta djur kirurgiska stressmodell, är den primära 4T1 brösttumör skars ut efter att den når 1 cm 3. Eftersomcancer operationer hos människor innebär betydande immunsuppression, en öppen buk nefrektomi i "kirurgiska spännings" behandlingsgrupper är dessutom utförs. Som det kan jämföras med mer konventionella tumörresektion hos människor, är mycket jämförbar med många typer av kirurgiska behandlingar för solida maligniteter, inklusive operation för kolorektal cancer, äggstockscancer, njurcancer, bukspottkörtelcancer, lungcancer och matstrupen den invasiva arten av en fullständig vänster nefrektomi cancer. Dessutom vill vi hävda att de djupgående fysiologiska förändringar som sker perioperativt, på grund av laparotomi + nefrektomi, återger de överväldigande fysiologiska förändringar som sker efter invasiv kirurgi för de flesta solida maligniteter adekvat sätt. För att kontrollera för perioperativa faktorer som kan leda till överdriven kirurgisk stress och dödlighet, varaktigheten av anestesi och kirurgi och upprätthålla kroppstemperaturen under operationen är exakt definierade. Alla dessa parametrar är exakt utfört end definieras i vår operation protokollet för att spegla rutinmässig perioperativ vård hos patienter humana cancer.
Tidpunkten för de perioperativa behandlingarna är ytterligare kritisk komponent till den perioperativa räddningsmodellen. 4T1 tumörbärande möss har tidigare behandlats med 3 kurer av influensavaccin: neoadjuvant (givet 5 dagar före operation), perioperativ (ges på samma dag för operation) och perioperativ + flerdos (med tanke på operationsdagen, följt av 2 ytterligare doser ges fem dagars mellanrum). Anmärkningsvärt, alla 3 lägen vaccinbehandling minskade signifikant lungmetastaser 22. Men influensavaccin som administreras perioperativt som engångsdos minskade metastaser mest effektivt. Tillsammans står dessa experiment betona vikten av den omedelbara perioperativa perioden som ett smalt terapeutiskt fönster för att ingripa i den metastatiska processen.
Perioperativ användning av innovativa immunterapier såsom oncolytic virus och vaccin har enbart begränsats till vår forskargrupp. Vi visade för första gången att perioperativ tillförsel av nya onkolytiskt ORF och vacciniavirusen kan vända NK cell dämpning efter operation i djurmodeller 1. Ännu viktigare är att denna räddning av immunfunktion korrelerar med en minskning i den postoperativa bildningen av metastaser. I humanstudier hade postoperativa cancer kirurgi patienter minskade NK cell cytotoxicitet och perioperativ OV ökar markant NK-cellaktivitet i cancerpatienter 1. Med användning av kommersiellt tillgängliga profylaktiska vacciner visade vi att perioperativ influensavaccin administrering minskade signifikant tumörmetastaser och förbättrad NK-cell cytotoxicitet i prekliniska tumörmodeller. I humanstudier, influensavaccin förbättras avsevärt NK-cellaktivitet i friska mänskliga donatorer och cancer kirurgi patienter 22.
Många metoder används för att minska cancer återfall, inklusive kemoterapi och strålning, men dessa behandlingar är vanligtvis administreras veckor till månader före (neoadjuvant) eller efter (adjuvant) kirurgi. Forskning inom detta område visar att den omedelbara postoperativa perioden är avgörande för att bestämma långsiktiga tumöråterfallsfrekvens. Därför kan kliniska interventioner i form av immunterapi under denna kritiska period har betydande långsiktiga fördelar. Våra studier med hjälp av en musmodell av spontana lungmetastaser och kirurgiska stressen ger en unik möjlighet att utforska nya terapier och bestämma deras potential att förhindra perioperativ immunsuppression i cancer kirurgi patienter och därmed även minska canceråterfallsfrekvens.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill du tacka Kim Yates, Eileen Franklin, och Rebecca Tjepkema (Animal Care och veterinärtjänster, University of Ottawa) för hjälp med djur operationer. Lee-Hwa Tai stöds av en Fonds de recherche santé Quebec gemenskap. Detta arbete stöddes av administrationsbidrag från den kanadensiska Cancerfonden Research Institute Innovation Grant, Ontario ministeriet för forskning och utveckling Tidig Forskare Award, och kanadensiska institutet för innovation – Leaders möjligheterna Grant till Rebecca Auer.
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Corning Cell-Gro | 10-013-CV | |
Inactivated Fetal Bovine Serum (FBS) | HyClone | SH30396.03 | |
Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15070-063 | |
1X sterile Phosphate Buffered Saline (PBS) | Corning cell gro | 21-031-CV | |
Buprenorphine | Chiron, Guelph | RXN309968 | |
Isofluorane | Baxter Corp | 1001936040 | |
1/2 ultra-fine syringe | Terumo | 30 Gauge, SS05M3009 | |
9mm staples | Braintree | ACS BX | |
5-0 braided absorbable suture | Covidien | UL-202 | |
3-0 wax braided silk suture | Covidien | S-194 | |
Formalin | Fisher | SF100-20 | |
4T1 tumor cells | ATCC | CRL-2539 | |
BALB/c | Charles Rivers Labs | Strain Code:028 |