En omfattande förfarande för att utvärdera<em> In Vivo</em> Prestanda av cancer nano
Summary
The poor understanding of the in vivo performance of nanomedicines stymies their clinical translation. Procedures to evaluate the in vivo behavior of cancer nanomedicines at systemic, tissue, single-cell, and subcellular levels in tumor-bearing immunocompetent mice are described here. This approach may help researchers to identify promising cancer nanomedicines for clinical translation.
Abstract
Inspirerad av framgången med tidigare cancernano i kliniken, har forskare genererat ett stort antal nya formuleringar under det senaste decenniet. Emellertid har endast ett litet antal av nanoläkemedel godkänts för klinisk användning, medan huvuddelen av nanoläkemedel under klinisk utveckling har gett nedslående resultat. Ett stort hinder för en framgångsrik klinisk översättning av nya cancernano är bristen på en korrekt förståelse av deras in vivo-prestation. Denna artikel presenterar en rigoröst förfarande för att karakterisera uppförandet av nanoläkemedel i tumörbärande möss vid systemisk, vävnad, encelliga, och subcellulära nivåer in vivo via integrering av positronemissionstomografi-datortomografi (PET-CT), radioaktivitet kvantifieringsmetoder , flödescytometri, och fluorescensmikroskopi. Med hjälp av denna metod kan forskarna noggrant utvärdera nya nano formuleringar i relevanta musmodeller av delser. Dessa protokoll kan ha förmågan att identifiera de mest lovande cancernano med hög translationell potential eller för att underlätta optimering av cancernano för framtida översättning.
Introduction
Nanomedicin är att skifta paradigm för cancerbehandling utveckling 1. Inspirerad av den enorma kliniska betydelsen av tidigare cancernano, såsom liposome- och albuminbaserade nanotherapies 2, 3, har många nya formuleringar producerats under det senaste decenniet. Den senaste tidens analyser av kliniska översättning framgången för dessa cancernano visar att endast ett fåtal av dem har godkänts för klinisk användning 4, 5. Ett stort hinder för klinisk översättning av nya cancernano är deras begränsad förbättring av den terapeutiska index jämfört med direkt administrering av de fria terapeutiska föreningar 6. Som sådan, noggrann utvärdering av in vivo-prestation av nanoläkemedel vid systemisk, vävnad, och cellulära nivåer i prekliniska djurmodeller är mycket viktigt att identify de med optimala terapeutiska index för framtida kliniska översättning.
Nanomaterial kan vara radioaktivt för kvantitativ karakterisering i levande djur med positronemissionstomografi (PET) avbildning, som har utmärkt känslighet och reproducerbarhet bland alla kliniska avbildningsmetoder 7. Till exempel, 89 Zr-märkta långtidscirkulerande nanoläkemedel har karakteriserats i musmodeller för cancer 8, 9, 10, såväl som i andra sjukdomsmodeller 11. Dessutom kan blodhalveringstid och biofördelningen av de nanoläkemedel vara utvärderats i stor omfattning genom användning ex vivo-mätningar av radioaktivitet i enskilda vävnader 8. Därför tillåter radiomärkning för kvantitativ utvärdering av nano vid system och vävnadsnivåer.
Viktigare, radiolabeled nano allmänhet inte kan analyseras på encelliga eller subcellulära nivåer på grund av den begränsade rumsliga upplösningen av det radioaktiva signalen. Därför visar sig fluorescent märkning att vara en komplementär modalitet för utvärdering av nanopartiklar med optiska avbildningstekniker, såsom flödescytometri och fluorescensmikroskopi 12. För detta ändamål kan nanopartiklar märkta med radioisotoper och fluorescerande taggar kvantitativt utvärderas in vivo genom nukleär avbildning och ex vivo genom radioaktivitetsräkning, och de kan också i stor utsträckning kännetecknas på cellnivå genom optisk avbildning.
Tidigare har vi utvecklat modul rutiner för att införliva radioaktiva och fluorescerande markörer i olika nanopartiklar, inklusive high-density lipoprotein (HDL) 11, liposomer 9, 10, polymera nanopartiklar, antikroppsfragment, och nanoemulsions 10, 13. Dessa märkta nanopartiklar har tillåtit för kvantitativ karakterisering i relevanta djurmodeller på olika nivåer, som guidade optimering av dessa nanomaterial för sina specifika tillämpningar. I den aktuella studien, är syftet att använda liposomala nanopartiklar-den mest etablerade nanomedicin plattform 14 -som ett exempel för att demonstrera omfattande förfaranden för att generera en dubbelmärkt nanopartiklar och att noggrant karakterisera den i en klassisk syngen melanom B16-F10 musmodell 15 . Från resultaten, vi är övertygade om denna nanopartiklar karakterisering tillvägagångssätt kan anpassas för att utvärdera andra cancernano i relevanta musmodeller.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska steg i protokollet:
Den höga kvaliteten på dubbelmärkta liposomer är nyckeln till att producera jämna resultat över en lång tidsperiod. Fria fluorescerande färgämnen eller 89 Zr-joner kan generera helt olika inriktningsmönster och måste tas bort helt under reningssteget. Dessutom, om immunförsvaret markant påverkar experimentell cancer nanomedicin prestanda bör användningen av immun musmodeller vara att föredra, såsom B16-F10 melanommodell i C57BL / 6 möss,…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Drs. Helene Salmon and Miriam Merad from Icahn School of Medicine at Mount Sinai for providing the B16-F10-YFP cells and for their expert advice on melanoma mouse models. The authors further thank the Animal Imaging Core Facility, the Radiochemistry and Molecular Imaging Probes Core Facility, and the Molecular Cytology Core Facility at Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) for their support. This work was supported by National Institutes of Health grants NIH 1 R01 HL125703 (W.J.M.M.), R01CA155432 (W.J.M.M.), K25 EB016673 (T.R.) and P30 CA008748 (MSK Center Grant). The authors also thank the Center for Molecular Imaging and Nanotechnology (CMINT) at MSK for their financial support (T.R.).
Materials
| DPPC | Avantilipids | 850355 | |
| Cholesterol | Sigma-Aldrich | C8667 | |
| DSPE-PEG2000 | Avantilipids | 880120P | |
| DSPE-DFO | Home made | 110634 | Perez-Medina et al, JNM, 2014 |
| DiIC12[5]-DS | AAT Bioquest | 22051 | |
| Centrifugal filter | Vivaproducts | VS2061 | |
| Rotary evaporator | Buchi | R-100 | |
| Radio-HPLC | Shimadzu HPLC with 2 LC-10AT pumps | N/A | |
| 89Zr-oxalate | MSKCC | Synthesized in house | TR19/9 variable beam cyclotron (Ebco Industries Inc) |
| Micro PET-CT | Siemens | Inveon Micro-PET/CT | |
| Gamma counter | PerkinElmer | 2470-0150 | |
| Flow cytometry | BD Biosciences | Fortessa | Any multi-parametric flow cytometry analyzers would suffice |
| C57BL/6 mice | Jackson Laboratories | ||
| B16-YFP melanoma cells | Home made | N/A | Salmon et al, Immunity, 2016 |
| Ly6C (clone HK1.4)–APC-Cy7 | 128025 | Biolegend | |
| MHCII (M5/114/152)–APC | 107613 | Biolegend | |
| CD45 (30-F11)–BV510 | 103137 | Biolegend | |
| CD64 (X54-5/7.1)–PE-Cy7 | 139313 | Biolegend | |
| CD11b (M1/70)–BV605 | 101237 | Biolegend | |
| CD3 (17A2)–BV711 | 100241 | Biolegend | |
| CD31 (13.3)–PE | 561073 | Biolegend | |
| CD11c (M418)–PerCP-Cy5.5 | 117327 | BD Biosciences | |
| CD31 (13.3) no fluorophore | 550274 | BD Biosciences |
References
- Peer, D., et al. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat Nanotechnol. 2, 751-760 (2007).
- Barenholz, Y. Doxil(R)–the first FDA-approved nano-drug: lessons learned. J Control Release. 160, 117-134 (2012).
- Green, M. R., et al. Abraxane, a novel Cremophor-free, albumin-bound particle form of paclitaxel for the treatment of advanced non-small-cell lung cancer. Ann Oncol. 17, 1263-1268 (2006).
- Juliano, R. Nanomedicine: is the wave cresting?. Nat Rev Drug Discov. 12, 171-172 (2013).
- Ledford, H. Bankruptcy filing worries developers of nanoparticle cancer drugs. Nature. 533, 304-305 (2016).
- Venditto, V. J., Szoka, F. C. Cancer nanomedicines: so many papers and so few drugs!. Adv Drug Deliv Rev. 65, 80-88 (2013).
- Dunphy, M. P., Lewis, J. S. Radiopharmaceuticals in preclinical and clinical development for monitoring of therapy with PET. J Nucl Med. (50 Suppl 1), (2009).
- Perez-Medina, C., et al. PET Imaging of Tumor-Associated Macrophages with 89Zr-Labeled High-Density Lipoprotein Nanoparticles. J Nucl Med. 56, 1272-1277 (2015).
- Perez-Medina, C., et al. A modular labeling strategy for in vivo PET and near-infrared fluorescence imaging of nanoparticle tumor targeting. J Nucl Med. 55, 1706-1711 (2014).
- Perez-Medina, C., et al. Nanoreporter PET predicts the efficacy of anti-cancer therapy. Nature communications. , (2016).
- Tang, J., et al. Inhibiting macrophage proliferation suppresses atherosclerotic plaque inflammation. Science advances. , (2015).
- Priem, B., Tian, C., Tang, J., Zhao, Y., Mulder, W. J. Fluorescent nanoparticles for the accurate detection of drug delivery. Expert Opin Drug Deliv. 12, 1881-1894 (2015).
- Gianella, A., et al. Multifunctional nanoemulsion platform for imaging guided therapy evaluated in experimental cancer. ACS Nano. 5, 4422-4433 (2011).
- Torchilin, V. P. Recent advances with liposomes as pharmaceutical carriers. Nat Rev Drug Discov. 4, 145-160 (2005).
- Salmon, H., et al. Expansion and Activation of CD103(+) Dendritic Cell Progenitors at the Tumor Site Enhances Tumor Responses to Therapeutic PD-L1 and BRAF Inhibition. Immunity. 44, 924-938 (2016).
- Perez-Medina, C., et al. In Vivo PET Imaging of HDL in Multiple Atherosclerosis Models. JACC Cardiovasc Imaging. 9, 950-961 (2016).
- Duivenvoorden, R., et al. A statin-loaded reconstituted high-density lipoprotein nanoparticle inhibits atherosclerotic plaque inflammation. Nature communications. 5, 3065 (2014).
- Carney, B., et al. Non-invasive PET Imaging of PARP1 Expression in Glioblastoma Models. Mol Imaging Biol. , (2015).
- Salinas, B., et al. Radioiodinated PARP1 tracers for glioblastoma imaging. EJNMMI Res. 5, 123 (2015).
- Carlucci, G., et al. Dual-Modality Optical/PET Imaging of PARP1 in Glioblastoma. Mol Imaging Biol. 17, 848-855 (2015).
- Tang, J., et al. Immune cell screening of a nanoparticle library improves atherosclerosis therapy. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. , (2016).
- Scott, A. M., Wolchok, J. D., Old, L. J. Antibody therapy of cancer. Nat Rev Cancer. 12, 278-287 (2012).
- Goodwill, P., et al. X-space MPI: magnetic nanoparticles for safe medical imaging. Adv Mater. 24, 3870-3877 (2012).
