Nicht-invasive PET/MR-Bildgebung in einem orthotopen Mausmodell des hepatozellulären Karzinoms

Summary

Hier stellen wir ein Protokoll zur Erstellung orthotoper hepatozellulärer Karzinom-Xenotransplantate mit und ohne Leberarterienligatur vor und führen eine nicht-invasive Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Bildgebung der Tumorhypoxie unter Verwendung von [18 F]Fluoromisonidazol ([18 F]FMISO) und [18 F]Fluordesoxyglucose ([¹⁸F]FDG) durch.

Abstract

Präklinische experimentelle Modelle des hepatozellulären Karzinoms (HCC), die menschliche Erkrankungen rekapitulieren, stellen ein wichtiges Werkzeug dar, um die Tumorgenese zu untersuchen und neue Therapieansätze zu evaluieren. Die nicht-invasive Ganzkörperbildgebung mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) liefert in Echtzeit entscheidende Einblicke in die In-vivo-Eigenschaften von Geweben auf molekularer Ebene. Wir präsentieren hier ein Protokoll für die orthotope HCC-Xenotransplantat-Erstellung mit und ohne hepatische Arterienligatur (HAL) zur Induktion von Tumorhypoxie und die Beurteilung ihres Tumorstoffwechsels in vivo unter Verwendung von [18 F]Fluoromisonidazol ([18 F]FMISO) und [18 F]Fluordesoxyglucose ([¹⁸F]FDG) PET/Magnetresonanz (MR) Bildgebung. Die Tumorhypoxie konnte mit dem Hypoxiemarker [18 F]FMISO leicht sichtbar gemacht werden, und es wurde festgestellt, dass die [18 F]FMISO-Aufnahme bei HCC-Mäusen, die HAL unterzogen wurden, höher war als in der Nicht-HAL-Gruppe, während [¹⁸F]FDG die Tumorhypoxie zwischen den beiden Gruppen nicht unterscheiden konnte. HAL-Tumoren zeigten auch eine höhere Expression des Hypoxie-induzierbaren Faktors (HIF)-1α als Reaktion auf Hypoxie. Die Quantifizierung von HAL-Tumoren zeigte einen 2,3-fachen Anstieg der [¹⁸F]FMISO-Aufnahme basierend auf dem Ansatz der standardisierten Wertaufnahme (SUV).

Introduction

Das hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist mit mehr als 900.000 neuen Fällen und 800.000 Todesfällen im Jahr 2020 die sechsthäufigste Krebserkrankung und die dritthäufigste Todesursache durch Krebs weltweit¹. Der Hauptrisikofaktor ist die Leberzirrhose, die als Folge von Virusinfektionen (Hepatitis B- und C-Viren), Alkoholmissbrauch, Diabetes und nichtalkoholischer Steatohepatitis² auftritt. Die Behandlung von HCC ist ziemlich komplex, und es stehen verschiedene Behandlungsoptionen zur Verfügung, darunter chirurgische Resektion, thermische oder chemische Ablation, Transplantation, transarterielle Chemoembolisation, Bestrahlung und Chemotherapie, abhängig vom Krankheitsstadium ^2,3. HCC ist ein Chemotherapie-refraktärer Tumor mit einem Wiederauftreten der Erkrankung bei bis zu 70% der Patienten nach kurativer Therapie².

Trotz des hohen Grades an Tumorheterogenität ist HCC mit zwei gemeinsamen Endpunkten assoziiert: (i) HCC ist sehr hypoxisch und (ii) Tumorhypoxie ist mit größerer Tumoraggressivität und Behandlungsversagen verbunden. Die unkontrollierte Proliferation von HCC-Zellen führt zu einer hohen Sauerstoffverbrauchsrate, die der Vaskularisierung vorausgeht, wodurch eine hypoxische Mikroumgebung entsteht. Niedrige intratumorale Sauerstoffwerte lösen dann eine Reihe von biologischen Reaktionen aus, die die Aggressivität des Tumors und das Ansprechen auf die Behandlung beeinflussen. Hypoxie-induzierbare Faktoren (HIFs) werden oft als die wesentlichen Transkriptionsregulatoren bei der Reaktion auf Hypoxie^{anerkannt 2,3}. Daher ist die Fähigkeit, Hypoxie zu erkennen, von entscheidender Bedeutung, um neoplastisches Gewebe sichtbar zu machen und die unzugänglichen Stellen zu identifizieren, die invasive Verfahren erfordern. Es hilft auch, die molekularen Veränderungen, die zur Aggressivität des Tumors führen, besser zu verstehen und die Behandlungsergebnisse der Patienten zu verbessern.

Die molekulare Bildgebung mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wird häufig bei der Diagnose und Stadieneinteilung vieler Krebsarten, einschließlich HCC, eingesetzt. Insbesondere die kombinierte Verwendung von Dual-Tracer-PET-Bildgebung mit [18 F]Fluordesoxyglucose ([¹⁸F]FDG) und [¹¹C]Acetat kann die Gesamtsensitivität bei der HCC-Diagnose signifikant erhöhen ^4,5. Die Bildgebung der Hypoxie kann hingegen durch die Verwendung des häufig verwendeten hypoxischen Markers [18 F]Fluoromisonidazol ([¹⁸F]FMISO) erreicht werden. In der klinischen Praxis ist die nicht-invasive Beurteilung der Hypoxie wichtig, um zwischen verschiedenen Tumorarten und Regionen für die Strahlentherapieplanung zu unterscheiden⁶.

Die präklinische Bildgebung ist zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die nicht-invasive und longitudinale Evaluierung von Mausmodellen für verschiedene Krankheiten geworden. Ein robustes und hochreproduzierbares HCC-Modell stellt eine wichtige Plattform für die präklinische und translationale Forschung zur Pathophysiologie des humanen HCC und zur Bewertung neuartiger Therapien dar. Zusammen mit der PET-Bildgebung können In-vivo-Verhaltensweisen aufgeklärt werden, um wichtige Erkenntnisse auf molekularer Ebene für einen bestimmten Zeitpunkt zu gewinnen. Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Erzeugung von orthotopen HCC-Xenotransplantaten der Leberarterienligatur (HAL) und die Analyse ihres in vivo Tumormetabolismus unter Verwendung von [18 F]FMISO und [¹⁸F]FDG PET/MR. Der Einbau von HAL ist ein geeignetes Modell für transgene oder chemisch induzierte HCC-Mäuse-Xenotransplantate, um Tumorhypoxie in vivo zu untersuchen, da HAL die arterielle Blutversorgung effektiv blockieren kann, um intratumorale Hypoxie zu induzieren ^7,8. Darüber hinaus können Veränderungen des Tumorstoffwechsels infolge von Hypoxie im Gegensatz zur immunhistochemischen Ex-vivo-Färbung mit Pimonidazol nicht-invasiv mittels PET-Bildgebung leicht visualisiert und genau quantifiziert werden, was eine longitudinale Beurteilung des Therapieansprechens oder eine Messung des Auftretens von Resistenzen ermöglicht ^3,7,8 . Unsere hier gezeigte Methode ermöglicht die Erstellung eines robusten hypoxischen HCC-Modells zusammen mit der nicht-invasiven Überwachung der Tumorhypoxie mittels PET/MR-Bildgebung, um die HCC-Biologie in vivo zu untersuchen.

Protocol

Alle Tierstudien wurden in Übereinstimmung mit dem Ausschuss für die Verwendung lebender Tiere in Lehre und Forschung (CULATR) im Zentrum für vergleichende medizinische Forschung (CCMR) an der Universität von Hongkong durchgeführt, einem Programm, das von der Association for the Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International (AAALAC) akkreditiert ist. Bei den in der Studie verwendeten Tieren handelte es sich um weibliche BALB/cAnN-nu (Nacktmäuse) im Alter von 6-8 Wochen mit einem Gewicht von 2…

Representative Results

Um einen geeigneten Tumorblock für die sukzessive orthotope Implantation zu erhalten, wurden zunächst stabile Klone durch subkutane Injektion von 200 μl Zellsuspension in DPBS (mit MHCC97L-Zellen) in die untere Flanke von Nacktmäusen erzeugt (Abbildung 1A). Das Tumorwachstum wurde überwacht, und als die Tumorgröße 800-1000 mm 3 erreichte (etwa 4 Wochen nach der Injektion), wurden die Mäuse eingeschläfert, und der resultierende Tumorblock wurde in etwa 1 mm3 Fra…

Discussion

In dieser Studie beschrieben wir die Verfahren zur Durchführung von HAL an orthotopen HCC-Xenotransplantaten in der Leber unter Verwendung subkutaner Tumoren sowie Methoden zur nicht-invasiven Überwachung der Tumorhypoxie bei orthotopen Xenotransplantaten unter Verwendung von [18 F]FMISO und [¹⁸F]FDG PET/MR. Unser Interesse gilt der metabolischen Bildgebung verschiedener Krebs- und Krankheitsmodelle zur Früherkennung und Bewertung des Therapieansprechens^{11,13,14,15</s…}

Materials

0.9% sterile saline	BBraun	N/A	0.9% sodium chloride intravenous infusion, 500 mL
10# Scalpel blade	RWD Life Science Co.,ltd	S31010-01	Animal surgery tool
10% povidone-iodine solution	Banitore	6.425.678	For disinfection
25G needle with a 1 mL syringe	BD PrecisionGlide	N/A	1 mL syringe with 25G needle for cell suspensions injections
5 mL syringe	Terumo	SS05L	5 mL syringe Luer Lock
70% Ethanol	Merck	1.07017	For disinfection
Automated Cell Counter	Invitrogen	AMQAF2000	For automated cell counting
Buprenorphine	HealthDirect	N/A	Subcutaneous injection (0.05-0.2 mg/kg/12 hours) for analgesic after surgery
Cell Culture Dish (60 mm diameter)	Thermo Scientific	150462	For tumor tissue processing
Centrifuge	Sigma	3-16KL, fixed-angle rotor 12311	For cell suspensions collection
Centrifuge Conical Tube	Eppendorf	EP0030122151	For cell suspensions collection
Culture media (Dulbecco’s modified Eagle’s medium)	Gibco	10566024	high glucose, GlutaMAX™ Supplement
Digital Caliper	RS PRO	841-2518	For subcutaneous tumor size measurement
Direct heat CO2 incubator	Techcomp Limited	NU5841	For cell culture
Dose calibrator	Biodex	N/A	Atomlab 500
DPBS (Dulbecco’s phosphate-buffered saline)	Gibco	14287072	For cell wash and injection
Eye lubricant	Alcon Duratears	N/A	Sterile ocular lubricant ointment, 3.5 g
Fetal bovine serum (FBS)	Gibco	A4766801	Used for a broad range of cell types, especially sensitive cell lines
Forceps (curved fine and straight blunt)	RWD Life Science Co.,ltd	F12012-10 & F12011-13	Animal surgery tool
Heating pad	ALA Scientific Instruments	N/A	Heat pad for mice during surgery
Insulin syringe	Terumo	10ME2913	1 mL insulin syringe with needle for radiotracer injections
InterView fusion software	Mediso	Version 3.03	Post-processing and image analysis software
Inverted microscope	Yu Lung Scientific Co., Ltd	BM-209G	For cells morphology visualization
Isoflurane	Chanelle Pharma	N/A	Iso-Vet, inhalation anesthetic, 250 mL
Ketamine	Alfasan International B.V.	HK-37715	Ketamine 10% injection solution, 10 mL
Medical oxygen	Linde HKO	101-HR	compressed gas, 99.5% purity
nanoScan PET/MR Scanner	Mediso	N/A	3 Tesla MR
Needle holder	RWD Life Science Co.,ltd	F31026-12	Animal surgery tool
Nucline nanoScan software	Mediso	Version 3.0	Scanner operating software
Nylon Suture (6/0 and 5/0)	Healthy Medical Company Ltd	000524 & 000526	Animal surgery tool
Penicillin- Streptomycin	Gibco	15140122	Culture media for a final concentration of 50 to 100 I.U./mL penicillin and 50 to 100 µg/mL streptomycin.
Pentabarbital	AlfaMedic	13003	Intraperitoneal injection (330 mg/kg) to induce cessation of breathing of mice
Sharp scissors	RWD Life Science Co.,ltd	S14014-10	Animal surgery tool
Spring Scissors	RWD Life Science Co.,ltd	S11005-09	Animal surgery tool
Trypan Blue Solution, 0,4%	Gibco	15250061	For cell counting
Trypsin-ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA, 0.25%), phenol red.	Gibco	25200072	For cell digestion
Xylazine	Alfasan International B.V.	HK-56179	Xylazine 2% injection solution, 30 mL