두개 내 주입 및 자기 공명 이미징을 통해 뇌 전이를 모델링
Summary
두개 내 뇌 전이 모델링은 정확하고 시기 좋은 방법으로 치료에 종양 크기와 반응을 모니터링할 수 없다는 것에 의해 복잡합니다. 제시된 방법론은 자기 공명 화상 진찰 분석과 두개 내 종양 주입을 결합할 때, 정확하고 일관된 주사, 향상된 동물 감시 및 정확한 종양 부피 측정을 육성합니다.
Abstract
암의 전이성 확산은 질병 진행, 공격적인 암 아류형 및 /또는 늦은 진단의 불행한 결과입니다. 뇌 전이는 특히 파괴적이고 치료하기 어렵고 가난한 예후를 부여합니다. 미국에 있는 두뇌 전이의 정확한 부각은 추정하기 어려운 남아 있는 동안, 외두개 치료가 암 치료에 있는 더 효과적인 되기 위하여 계속됨에 따라 증가할 가능성이 높습니다. 따라서, 이 사이트에서 전이를 치료하기 위한 새로운 치료 접근법을 식별하고 개발할 필요가 있다. 이를 위해 암세포의 두개내 주사는 뇌전이를 모델링하는 잘 확립된 방법이 되고 있다. 이전에는 종양 성장을 직접 측정할 수 없는 것이 이 모델에 기술적 장애가 되었습니다. 그러나 자기 공명 영상(MRI)과 같은 작은 동물 이미징 양식의 가용성과 품질을 높이는 것은 시간이 지남에 따라 종양 성장을 모니터링하고 실험 기간 동안 뇌 내의 변화를 추론하는 능력을 크게 향상시키고 있다. 본명, 뮤린 유방 종양 세포의 두개 내 주입을 면역능력 마우스로 내하여 MRI가 입증된다. 제시된 사출 접근법은 이소플루란 마취와 디지털 제어, 자동 드릴 및 바늘 주입을 사용하여 정밀도를 향상시키고 기술적 오류를 줄이는 스테레오전술 설정을 활용합니다. MRI는 오하이오 주립 대학 제임스 종합 암 센터 작은 동물 화상 진찰 공유 자원에 있는 9.4 테슬라 계기를 사용하여 시간이 지남에 측정됩니다. 종양 부피 측정은 ImageJ의 사용을 통해 매 시점에서 입증됩니다. 전반적으로, 이 두개 내 주입 접근은 두뇌 전이의 드라이버에 새로운 가설을 시험하기 위하여 이 모형 시스템의 유용성을 크게 향상시키는 결합된 정확한 주입, 일상적인 감시 및 정확한 종양 부피 측정을 허용합니다.
Introduction
뇌전이 성인 1차 중추신경계 종양1보다10배 더 흔하며, 폐암, 유방암, 흑색종을 가진 거의 모든 고형종양 유형에서 가장 높은부각2를나타낸다고 보고되었다. 1차 종양 부위에 관계없이 뇌 전이의 발달은 인지 기능 저하, 지속적인 두통, 발작, 행동 및/또는 성격 변화와 종종 연관되는 불량 예후로 이어집니다1,,3,,4,,5. 유방암의 관점에서, 질병의 예방 및 치료에 많은 진보가 있었습니다. 그러나, 유방암으로 진단된 여자의 30%는 전이를 개발하기 위하여 계속될 것이고, 단계 IV 질병을 가진 그들, 대략 7%(SEER 2010-2013)에는 두뇌 전이6,,7이있습니다. 뇌 전이에 대한 현재 치료 옵션은 외과 절제술, 입체 방사선 수술 및 / 또는 전체 뇌 방사선 요법을 포함한다. 그러나, 이 적극적인 치료에도, 이 환자를 위한 중앙생존은 짧은 8-11 달7,,8,,9입니다. 이러한 냉혹한 통계는 참신하고 효과적인 치료 전략의 식별 및 구현의 필요성을 강력하게 지원합니다. 따라서, 뇌에 전이되는 모든 암과 마찬가지로, 실험실에서 유방암 과 관련된 뇌 전이(BCBM)를 적절히 모델링하여 현장에서 상당한 발전을 보장하는 것이 필수적입니다.
현재까지, 연구원은 뚜렷한 장점과 한계를 가진각각10,,11를가진 두뇌에 전이의 기계장치를 공부하기 위하여 다양한 방법론을 이용했습니다. 꼬리 정맥 및 심내 주입과 같은 실험전이 종양 세포를 몸 전체에 퍼뜨리고 주입 된 세포에 따라 다른 전이성 부위에 엄청난 종양 부담을 초래할 수 있습니다. 이러한 결과 다음 혼란 은 구체적으로 뇌에 전이 를 공부 하는 경우. 상기 자궁내 동맥 주입 방법은 종양 세포의 뇌 파종을 구체적으로 표적으로 하지만 기술적으로 수행하기 어려울 수 있기 때문에 제한적이기 때문에 유리하다. 정형소 1 차 종양 절제술은 종종 전체 전이성 폭포를 회수할 때 전이의 가장 임상적으로 관련된 모델로 간주됩니다. 그러나, 이 접근은 림프절, 폐 및 간과 같은 그밖 전이성 사이트에 비교된 두뇌 전이의 극적으로 더 낮은 비율로 생기기 위하여 자발적인 전이에 대한 장기간 대기 기간을 관련시킵니다. 종종, 동물은 뇌 전이의 발달 의 발달 의 앞에 이 그밖 전이성 사이트에 종양 부담 때문에 연구 결과에서 제거되어야 합니다. 뇌 열대 세포주를 관련 시키는 다른 방법은 뇌에 전이에 효과적; 그러나, 이러한 모델은 개발 하는 데 시간이 걸릴 종종 전파와 그들의 트로피즘을 잃게 하는 점에서 제한. ,이러한 한계를 감안할 때, 연구자들은 일상적으로뇌11,12,13,,14에 암 전이를 모델링하기 위해 두개내 주사 방법을 사용해 왔으며,14에는 다양한,방법론으로15,16,,17,,18,,19., 이 접근은 유사하게 한계가 있다는 것을 인정됩니다, 1 차적인 종양에서 내래의 교배, 혈액 두뇌 장벽을 통해 침투, 두뇌 내의 설치를 포함하여 초기 전이성 단계의 조사를 허용하지 않는다는 점에서 가장 중요한 것은. 그러나, 연구자가 뇌 내의 성장을 중재하는 종양 유래 요인(예를 들어, 종양 세포에 있는 종양 발생 인자의 유전적 조작), (2) 전이성 미세 환경의 변화가 이 부위에서 암 성장을 변화시키는 방법(예를 들어, 변경된 기질 성분을 가진 형질마우스 간의 비교) 및 (3) 치료 신약의 효과성을 시험할 수 있게 한다.
두개 내 주사 모델의 잠재적 인 유용성을 감안할 때, 주입 중 기술적 오류를 줄이고 시간이 지남에 따라 종양 성장을 정확하게 모니터링하는 것이 절대적으로 필요합니다. 본명에 기술된 방법은 흡입된 가스 마취의 연속적인 주입, 및 종양 세포의 직접 이식을 관체 드릴 및 주입 스탠드를 사용하여 뇌 완두엽종으로 직접 이식하는 것을 포함한다. 가스 마취를 투여하면 마취의 깊이와 길이를 미세 조정하고 빠르고 원활한 회복을 보장할 수 있습니다. 디지털 제어, 자동화 된 드릴 및 바늘 주입 시스템은 사출 현장 정밀도를 향상시키고 종종 드릴링 및 무료 손 주입 방법으로 발생하는 기술적 오류를 줄입니다. 자기 공명 영상 (MRI)의 사용은 종양 성장, 종양 부피, 조직 반응, 종양 괴사 및 치료에 대한 반응을 모니터링하는 정밀도를 더욱 증가시킵니다. MRI는 연조직20,,21에대한 선택의 이미징 양식이다. 이 이미징 기술은 이온화 방사선을 사용하지 않으며 특히 연구 과정에서 여러 이미징 세션에 대해 컴퓨터 단층 촬영(CT)보다 선호됩니다. MRI는 CT 또는 초음파 화상 진찰 (USG) 그 때 유효한 연조직 대비의 훨씬 더 중대한 범위를 가지고 있고 더 상세하게 해부학을 제시합니다. 그것은 뇌 자체 내에서 이상에 대 한 더 민감 하 고 구체적인. MRI는 2D USG 또는 2D 광학 이미징의 경우와 같이 피사체를 물리적으로 움직일 필요 없이 임의의 이미징 평면에서 수행될 수 있다. 두개골이 다른 이미징 양상에서와 같이 MRI 신호를 감쇠시키지 않는다는 것을 언급하는 것이 중요합니다. MRI는 CT 또는 USG의 뼈에서 나온 유물에 의해 가려질 수 있는 구조물의 평가를 허용합니다. 또 다른 장점은 상대적으로 낮은 독성 또는 부작용으로 병변 검출 한계를 향상시키는 MRI에 사용할 수있는 많은 콘트라스트 에이전트가 있다는 것입니다. 중요한 것은, MRI는 종양 부피 해독에 제한되는 부검시의 조직학적 평가와 달리 실시간으로 모니터링할 수 있게 한다. 생물 발광 화상 진찰과 같은 그밖 화상 진찰 양식은, 초기 종양 탐지 및 시간이 지남에 따라 감시를 위해 실제로 효과적입니다; 그러나, 이 방법은 세포주의 유전 조작 (예를 들면, 루시파아제/GFP 태깅)를 요구하고 체적 측정을 허용하지 않습니다. MRI는 MR 이미지의 환자 모니터링 및 다운스트림 체피 분석을 미러로 하여 더욱 유리하며,부검(22)에서히스토릭 종양 크기와 밀접한 상관관계가 있는 것으로 알려져 있다. MRI 스크리닝을 통한 연쇄 모니터링은 또한 신경학적 장애의 임상 모니터링을 증가시킵니다.
전반적으로, 직렬 MRI에 선행된 입체 내 종양 주입의 제시된 방법은 암에 있는 두뇌 전이의 기계장치를 공부하기 위하여 믿을 수 있고, 예측가능하고, 측정가능한 결과를 생성하는 것을 가능하게 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
MRI를 통한 직렬 모니터링에 이어 두개 내 주사의 활용은 시간이 지남에 따라 종양 부피 정확도로 종양 성장을 시각화하는 독특한 능력을 제공한다. 디지털 이미징 분석의 적용은 종양 부피, 출혈, 괴사 및 치료에 대한 반응에 대한 뇌 병변의 해석을 허용합니다.
모든 절차와 마찬가지로 성공을 위해 따라야 할 주요 단계가 있습니다. 첫째, 입체 장치의 신중한 설정은이 기술의 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
대표적인 데이터는 국립암연구소(K22CA218472~G.M.S.를 통해 지원되었다. 두개 내 주사는 오하이오 주립 대학 포괄적 인 암 센터 표적 검증 공유 자원 (이사 – 레나 Shakya 박사)에서 수행되며 MRI는 오하이오 주립 대학 포괄적 인 암 센터 소형 동물 이미징 공유 리소스 (디렉터 – Kimerly Powell 박사)에서 완료됩니다. 공유 자원은 OSUCCC, 국립 암 연구소 (P30 CA016058)의 OSUCCC 암 센터 지원 보조금, 오하이오 주립 대학 대학 및 부서와의 파트너십 및 설립 된 충전 시스템을 통해 자금을 조달합니다.
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 |
References
- 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. Recherche en cancérologie. , (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).
