Фотоиммунотерапия в ближнем инфракрасном диапазоне для мышиных моделей плевральной диссеминиции
Summary
Фотоиммунотерапия в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR-PIT) является новой терапевтической стратегией рака, которая использует конъюгат антитело-фотоабсорбер (IR700Dye) и свет NIR для уничтожения раковых клеток. Здесь мы представляем метод оценки противоопухолевого эффекта NIR-PIT в мышиной модели плеврального диссеминированного рака легких и злокачественной мезотелиомы плевры с использованием биолюминесцентной визуализации.
Abstract
Эффективность фотоиммунотерапии можно оценить более точно с помощью ортотопической мышиной модели, чем с подкожной. Модель плевральной диссеминации может быть использована для оценки методов лечения внутриторакальных заболеваний, таких как рак легких или злокачественная мезотелиома плевры.
Фотоиммунотерапия ближнего инфракрасного диапазона (NIR-PIT) – это недавно разработанная стратегия лечения рака, которая сочетает в себе специфичность антител, нацеленных на опухоль, с токсичностью, вызванной фотоаборбером (IR700Dye) после воздействия света NIR. Сообщалось об эффективности NIR-PIT с использованием различных антител; однако лишь несколько отчетов показали терапевтический эффект этой стратегии в ортотопической модели. В настоящем исследовании мы демонстрируем пример оценки эффективности модели плеврального диссеминированного рака легких, которую лечили с использованием NIR-PIT.
Introduction
Рак остается одной из ведущих причин смертности, несмотря на десятилетия исследований. Одна из причин заключается в том, что лучевая терапия и химиотерапия являются высокоинвазивными методами, которые могут ограничить их терапевтические преимущества. Клеточная или молекулярная таргетная терапия, которая является менее инвазивными методами, получает повышенное внимание. Фотоиммунотерапия – это метод лечения, который синергетически усиливает терапевтический эффект, сочетая иммунотерапию и фототерапию. Иммунотерапия повышает иммунитет опухоли за счет повышения иммуногенности микроокружения опухоли и снижения иммунорегуляторного подавления, в результате чего опухоли деструктируется в организме. Фототерапия уничтожает первичные опухоли комбинацией фотосенсибилизаторов и световых лучей, а опухолеспецифические антигены, высвобождаемые из опухолевых клеток, повышают опухолевый иммунитет. Опухоли можно избирательно лечить с помощью фотосенсибилизаторов, поскольку они специфичны и селективны для клеток-мишеней. Модальность фототерапии включает фотодинамическую терапию (ФДТ), фототермическую терапию (ПТТ) и терапию наосновефотохимии1.
Ближний инфракрасный фотоиммунотерапия (NIR-PIT) является недавно разработанным методом противоопухолевной фототерапии, который сочетает в себе фотохимическую терапию и иммунотерапию1,2. NIR-PIT представляет собой молекулярно-таргетную терапию, которая нацелена на конкретные молекулы клеточной поверхности путем конъюгации близкого инфракрасного кремниевого фталоцианинового красителя IRdye 700DX (IR700) с моноклональным антителом (mAb). Клеточная мембрана клетки-мишени разрушается при облучении NIR-светом (690 нм)3.
Концепция использования таргетной светотерапии путем комбинирования обычных фотосенсибилизаторов и антител или таргетной ФДТ насчитывает более трех десятилетий4,5. Предыдущие исследования пытались нацелиться на обычные агенты ФДТ, конъюгируя их с антителами. Однако был ограниченный успех, потому что эти конъюгаты были захвачены в печени, из-за гидрофобности фотосенсибилизаторов6,7. Более того, механизм NIR-PIT полностью отличается от механизма обычного PDT. Обычные фотосенсибилизаторы создают окислительный стресс, который возникает в результате преобразования энергии, которое поглощает световую энергию, смещается в возбужденное состояние, переходит в основное состояние и вызывает апоптоз. Однако NIR-PIT вызывает быстрый некроз, непосредственно разрушая клеточную мембрану путем агрегации фотосенсибилизаторов на мембране посредством фотохимической реакции8. NIR-PIT во многом превосходит обычный целевой ФДТ. Обычные фотосенсибилизаторы имеют низкие коэффициенты вымирания, требуя прикрепления большого количества фотосенсибилизаторов к одной молекуле антитела, потенциально снижая сродство связывания. Большинство обычных фотосенсибилизаторов являются гидрофобными, что затрудняет связывание фотосенсибилизаторов с антителами без ущерба для их иммунореактивности или накопления мишеней in vivo. Обычные фотосенсибилизаторы обычно поглощают свет в видимом диапазоне, уменьшая проникновение в ткани.
Сообщалось о нескольких исследованиях NIR-PIT, нацеленных на внутриторакальныеопухоли,такие как рак легких и злокачественные клетки мезотелиомы плевры (MPM),9,10,11, 12,13,14,15,16,17. Тем не менее, только в нескольких отчетах описана эффективность NIR-PIT в моделях9,10,11,12с диссеминированной плеврой или раком легких. Модели ксенотрансплантатов подкожной опухоли считаются стандартными моделями опухолей и в настоящее время широко используются для оценки противоопухолевых эффектов новых методовлечения18. Однако микроокружение подкожной опухоли не является разрешительным для развития соответствующей структуры ткани или состояния, которое должным образом резюмирует истинный злокачественный фенотип19,20,21,22. В идеале должны быть установлены модели ортотопических заболеваний для более точной оценки противоопухолевого эффекта.
Здесь мы демонстрируем метод оценки эффективности в мышиной модели плеврального диссеминированного рака легких, который лечили с помощью NIR-PIT. Модель плевральной диссеминационной мыши генерируется путем введения опухолевых клеток в грудную полость и подтверждается с помощью люминесценции люциферазы. Мышь лечили внутривенной инъекцией mAb, конъюгированной с IR700 и NIR облучением грудной клетки. Терапевтический эффект оценивали с помощью люминесценции люциферазы.
Protocol
Representative Results
Discussion
В данном исследовании мы продемонстрировали метод измерения терапевтического эффекта NIR-PIT на модель плевральной диссеминации МПМ. Высокоселективное уничтожение клеток проводилось с помощью NIR-PIT; таким образом, нормальная ткань практически не повреждалась…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Никакой
Materials
| 0.25w/v% Trypsin-1mmol/l EDTA 4Na Solution with Phenol Red | Wako | 209-016941 | for cell culture |
| 1mL syringe | TERUMO | SS-01T | for mice experiment |
| 30G needle | Nipro | 1907613 | for mice experiment |
| BALB/cSlc-nu/nu | Japan SLC | ||
| Collidal Blue Staining Kit | Invitrogen | LC6025 | use for gel protein staining |
| Coomassie (bradford) Plus protein assay | Thermo Fisher Scientific Inc (Waltham, MA, USA) | PI-23200 | for measuring the APC concentration |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Wako | 043-07216 | use for conjugation of IR700 |
| D-Luciferin (potassium salt) | Cayman Chemical | 14681 | for bioluminescence imaging and DLIT |
| GraphPad Prism7 | GraphPad software | for statistical analysis | |
| Image Studio | Li-Cor Biosciences | for analyzing 700 nm fluorescent image | |
| IRDye 700DX Ester Infrared Dye | LI-COR Bioscience (Lincoln, NE, USA) | 929-70011 | |
| isoflurane | Wako | 095-06573 | for mice anesthesia |
| IVIS Spectrum CT | PerkinElmer | for capturing bioluminescent image and DLIT | |
| Living Image | PerkinElmer | for analyzing bioluminescent image and DLIT | |
| Na2HPO4 | SIGMA-ALDRICH (St. Louis, MO, USA) | S9763 | use for conjugation of IR700 |
| NIR Laser | Changchun New Industries Optoelectronics Technology | MRL-III-690R | for NIR irradiation |
| Novex WedgeWell 4 to 20%, Tris-Glycine, 1.0 mm, Mini Protein Gel, 12 well | Invitrogen | XP04202BOX | use for SDS-PAGE |
| NuPAGE LDS Sample Buffer (x4) | Invitrogen | NP0007 | use for SDS-PAGE |
| Optical power meter | Thorlabs (Newton, NJ, USA) | PM100 | for measuring the output of the NIR laser |
| PBS(-) | Wako | 166-23555 | |
| Pearl Trilogy imaging system | Li-Cor Biosciences | for capturing 700 nm fluorecent image | |
| Penicilin-Streptomycin Solution (x100) | Wako | 168-23191 | for cell culture |
| Puromycin Dihydrochloride | ThermoFisher | A1113803 | for luciferase transfection |
| RediFect Red-Fluc-Puromycin Lentiviral Prticles | PerkinElmer | CLS960002 | for luciferase transfection |
| RPMI-1640 with L-glutamine and Phenol Red | Wako | 189-02025 | for cell culture |
| Sephadex G25 column (PD-10) | GE Healthcare (Piscataway, NJ, USA) | 17-0851-01 | use for conjugation of IR700 |
| UV-1900i | Shimadzu | for measuring the APC concentration |
References
- Xu, X., Lu, H., Lee, R. Near Infrared Light Triggered Photo/Immuno-Therapy Toward Cancers. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, (2020).
- Mitsunaga, M., et al. Cancer cell-selective in vivo near infrared photoimmunotherapy targeting specific membrane molecules. Nature Medicine. 17, 1685-1691 (2011).
- Kobayashi, H., Choyke, P. L. Near-Infrared Photoimmunotherapy of Cancer. Accounts of Chemical Research. 52, 2332-2339 (2019).
- Oseroff, A. R., Ohuoha, D., Hasan, T., Bommer, J. C., Yarmush, M. L. Antibody-targeted photolysis: Selective photodestruction of human T-cell leukemia cells using monoclonal antibody-chlorin e6 conjugates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 83, 8744-8748 (1986).
- Mew, D., Wat, C. K., Towers, G. H., Levy, J. G. Photoimmunotherapy: treatment of animal tumors with tumor-specific monoclonal antibody-hematoporphyrin conjugates. Journal of Immunology. 130, 1473-1477 (1983).
- Vrouenraets, M. B., et al. Development of meta-tetrahydroxyphenylchlorin-monoclonal antibody conjugates for photoimmunotherapy. Recherche en cancérologie. 59, 1505-1513 (1999).
- Goff, B. A., et al. Photoimmunotherapy and biodistribution with an OC125-chlorin immunoconjugate in an in vivo murine ovarian cancer model. British Journal of Cancer. 70, 474-480 (1994).
- Sato, K., et al. Photoinduced Ligand Release from a Silicon Phthalocyanine Dye Conjugated with Monoclonal Antibodies: A Mechanism of Cancer Cell Cytotoxicity after Near-Infrared Photoimmunotherapy. ACS Central Science. 4, 1559-1569 (2018).
- Sato, K., Nagaya, T., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy in the treatment of pleural disseminated NSCLC: Preclinical experience. Theranostics. 5, 698-709 (2015).
- Nishinaga, Y., et al. Targeted Phototherapy for Malignant Pleural Mesothelioma: Near-Infrared Photoimmunotherapy Targeting Podoplanin. Cells. 9, 1019 (2020).
- Sato, K., et al. Near infrared photoimmunotherapy prevents lung cancer metastases in a murine model. Oncotarget. 6, 19747-19758 (2015).
- Sato, K., Nagaya, T., Mitsunaga, M., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy for lung metastases. Cancer Letters. 365, 112-121 (2015).
- Isobe, Y., et al. Near infrared photoimmunotherapy targeting DLL3 for small cell lung cancer. EBioMedicine. 52, 102632 (2020).
- Nakamura, Y., et al. Near infrared photoimmunotherapy in a transgenic mouse model of spontaneous epidermal growth factor receptor (EGFR)-expressing lung cancer. Molecular Cancer Therapeutics. 16, 408-414 (2017).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy with avelumab, an anti-programmed death-ligand 1 (PD-L1) antibody. Oncotarget. 8, 8807-8817 (2017).
- Sato, K., et al. Spatially selective depletion of tumor-associated regulatory T cells with near-infrared photoimmunotherapy. Science Translational Medicine. 8, (2016).
- Sato, K., et al. Comparative effectiveness of light emitting diodes (LEDs) and lasers in near infrared photoimmunotherapy. Oncotarget. 7, 14324-14335 (2016).
- Sato, K., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Photoimmunotherapy of Gastric Cancer Peritoneal Carcinomatosis in a Mouse Model. PLoS One. 9, 113276 (2014).
- McLemore, T. L., et al. Comparison of intrapulmonary, percutaneous intrathoracic, and subcutaneous models for the propagation of human pulmonary and nonpulmonary cancer cell lines in athymic nude mice. Recherche en cancérologie. 48, 2880-2886 (1988).
- Manzotti, C., Audisio, R. A., Pratesi, G. Importance of orthotopic implantation for human tumors as model systems: relevance to metastasis and invasion. Clinical & Experimental Metastasis. 11, 5-14 (1993).
- Lwin, T. M., Hoffman, R. M., Bouvet, M. Advantages of patient-derived orthotopic mouse models and genetic reporters for developing fluorescence-guided surgery. Journal of Surgical Oncology. 118, 253-264 (2018).
- Sordat, B. C. M. . From Ectopic to Orthotopic Tumor Grafting Sites: Evidence for a Critical Role of the Host Tissue Microenvironment for the Actual Expression of the Malignant Phenotype. , 43-53 (2017).
- Sato, K., et al. Photoimmunotherapy: comparative effectiveness of two monoclonal antibodies targeting the epidermal growth factor receptor. Molecular Oncology. 8, 620-632 (2014).
- Nakajima, T., et al. The effects of conjugate and light dose on photo-immunotherapy induced cytotoxicity. BMC Cancer. 14, 389 (2014).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy of B-cell lymphoma. Molecular Oncology. 10, 1404-1414 (2016).
- Sato, K., et al. Near infrared photoimmunotherapy in the treatment of disseminated peritoneal ovarian cancer. Molecular Cancer Therapeutics. 14, 141-150 (2015).
- Colin, D. J., Bejuy, O., Germain, S., Triponez, F., Serre-Beinier, V. Implantation and monitoring by pet/ct of an orthotopic model of human pleural mesothelioma in athymic mice. Journal of Visualized Experiments. 2019, (2019).
- Opitz, I., et al. Local recurrence model of malignant pleural mesothelioma for investigation of intrapleural treatment. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 31, 772-778 (2007).
- Bunn, P. A., Kelly, K. New chemotherapeutic agents prolong survival and improve quality of life in non-small cell lung cancer: a review of the literature and future directions. Clinical Cancer Research. 4, 1087-1100 (1998).
- Astoul, P., Wang, X., Hoffman, R. Patient-like nude-mouse and scid-mouse models of human lung and pleural cancer (review). International Journal of Oncology. 3, 713-718 (1993).
- Yamaguchi, H., Pantarat, N., Suzuki, T., Evdokiou, A. Near-infrared photoimmunotherapy using a small protein mimetic for HER2-overexpressing breast cancer. International Journal of Molecular Sciences. 20, (2019).
- Jing, H., et al. Imaging and selective elimination of glioblastoma stem cells with theranostic Near-Infrared-Labeled CD133-Specific antibodies. Theranostics. 6, 862-874 (2016).
- Burley, T. A., et al. Near-infrared photoimmunotherapy targeting EGFR-Shedding new light on glioblastoma treatment. International Journal of Cancer. 142, 2363-2374 (2018).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy using a fiber optic diffuser for treating peritoneal gastric cancer dissemination. Gastric Cancer. 22, 463-472 (2019).
- Nagaya, T., et al. Endoscopic near infrared photoimmunotherapy using a fiber optic diffuser for peritoneal dissemination of gastric cancer. Cancer Science. 109, 1902-1908 (2018).
- Harada, T., et al. Near-infrared photoimmunotherapy with galactosyl serum albumin in a model of diffuse peritoneal disseminated ovarian cancer. Oncotarget. 7, 79408-79416 (2016).
- Journals, O. JNCI Journal of the National Cancer Institute Way to Better DNA. Annals of Internal Medicine. 37, 1-9 (2008).
