Murin Endoskopi för<em> In Vivo</em> Multimodal avbildning av Carcinogenesis och Bedömning av intestinala sårläkning och inflammation
Summary
Små djur avbildningstekniker tillåter seriella diagnostiska undersökningar och terapeutiska ingrepp in vivo. Nyligen har omfattningen av ansökningar väsentligt vidgats och idag omfattar bedömning av kolontumörutveckling, sårläkning och övervakning av inflammation. Detta protokoll illustrerar dessa olika potentiella tillämpningar av murin endoskopi.
Abstract
Musmodeller används ofta för att studera patogenesen av sjukdomar hos människor och utvärdera diagnostiska förfaranden samt terapeutiska ingrepp prekliniskt. Emellertid giltig bedömning av patologiska förändringar kräver ofta histologisk analys, och när det utförs ex vivo, nödvändiggör djurets död. Därför i konventionella experimentella inställningar intraindividuella uppföljande undersökningar är sällan möjligt. Således, utveckling av mus endoskopi i levande möss möjliggör utredare för första gången till både direkt visualisera mag-tarmslemhinnan och även upprepa proceduren för att övervaka för ändringar. Många tillämpningar för in vivo mus endoskopi finns, bland annat studera tarminflammation eller sårläkning, erhålla mucosal biopsier upprepade gånger och att lokalt administrera diagnostiska eller terapeutiska medel med hjälp av miniatyrinjektionskatetrar. Senast har molecular imaging utökad bilddiagnostik modalities möjliggör för detektering av distinkta målmolekyler med specifika fotoprober. Sammanfattningsvis har murina endoskopi vuxit fram som ett nytt spjutspetsteknik för diagnostik experimentella in vivo imaging och kan avsevärt påverka preklinisk forskning inom olika områden.
Introduction
Djurmodeller har berikat vår förståelse av många tarm patologier. Laboratoriet mus (Mus musculus) har vuxit fram som en främsta djurmodell inom biomedicinsk forskning på grund av dess rikliga genetiska och genomisk information och är lätt tillgänglig i transgena och knockout stammar. Förutom att förbättra förståelsen sjukdoms patogenes är djurmodeller också viktigare används för att testa läkemedelskandidater samt prekliniska diagnostiska eller terapeutiska ingrepp. Men trots olika musmodeller härma mänskliga sjukdomar, många diagnostiska och interventionella alternativ som rutinmässigt används inom vården är inte tillgängliga för möss. Därför att övervakningsstrategier övervaka loppet av murina sjukdom eller effekten av terapeutiska interventioner är ofta begränsade till indirekta observationer eller efter slakt analyser. Även icke-invasiva procedurer finnas för övervakning möss vitalitet liknande sjukdomsaktivitetsindex, quantification viktminskning eller vinst, blod, urin och avföring analyser, dessa är bara indirekta indikatorer och är förspända av interindividuell variabilitet. Dessutom post mortem analyser förhindra längsgående iakttagelser vid upprepade tidpunkter. Sofistikerad avbildningstekniker för att övervaka sjukdomsaktivitet i möss har nyligen införts 1,2. Även om dessa avbildningstekniker möjliggör upprepade analyser, de ger bara ett beskrivande och ofta oprecisa syn på tarmen, aktivera inte direkt mucosal visualisering eller tillåta diagnostiska eller terapeutiska ingrepp såsom biopsi förvärv eller aktuell och intramucosal tillämpning av läkemedelskandidater.
Nyligen har högupplösta endoskopiska system för användning i levande möss utvecklats 3,4. För första gången dessa endoskopiska tekniker medger direkt visualisering av endoluminala kolon sjukdoms patologier såsom sårläkning eller tarminflammation som tillhandahåller objektiva, realtidsstatus möjliggör longitudinella studier i samma djur vid upprepade tidpunkter. Bortsett från att ge upprepade biopsier i en individuell mus kan endoskopiska system även användas för att terapeutiskt påverka en distinkt tumör eller lokal inflammation genom att direkt tillämpning av ett ämne till det intressanta området. Dessutom som terapeutiska och kontrollämnen kan levereras direkt till det område av intresse, detta kan utföras i samma mus, exklusive interindividuella variabiliteten. Dessa system har nu varit anställd i bedömningen av kolon inflammation, sårläkning, laparoskopisk leverbiopsi och orthotopic induktion av levertumörer 8 och tumörutveckling med hjälp av olika poängsystem som den murina endoskopisk index för kolit svårighetsgrad (MEICS) 5-7. MEICS består av fem parametrar för att bedöma inflammation: förtjockning av kolonväggen, förändringar i kärlmönster, förekomst av fibrin, granularitet av mucosal ytan och avföring konsistens.
I detta protokoll beskriver vi användandet av stela endoskopi i musmodeller av tarm sårläkning, inflammation och cancer i tjocktarmen. Först visar vi endoskopisk utvärdering av sårläkning och kolon inflammation samt längd bedömning av kolit aktivitet och studiet av cancerogenesis i murina kolon. Bortom den beskrivande användning av mus endoskopi, ger vi detaljerade instruktioner om användningen av endoskopiska instrument för att få biopsier, samt aktuella och intramucosal tillämpning av olika komponenter av intresse (t.ex. läkemedelskandidater eller tumörceller). Slutligen visar vi att använda mus fluorescens endoskopi, som sysselsätter avancerade molekylära avbildningstekniker, i inställningen av kolorektala tumörer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Epitelial sårläkning är en pågående process. Kontinuerlig fysiologisk exfoliering av ytliga celler i mag-tarmslemhinnan inträffar som kräver frekvent regenerering av epitelceller 16. Följaktligen har försämrad sårläkning en enorm inverkan på flera sjukdomar, inklusive gastrointestinala sår och 17 anastomotic läckage 18. Utvärdering av molekylär bakgrund samt potentiella läkemedelskandidater för att stimulera epitelial läkning får endast ofullständigt utföras i cell…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Sonja Dufentester och Elke Weber för teknisk experthjälp. Vi tackar Faekah Gohar för korrekturläsning av manuskriptet och Stefan Brückner för medicinsk informatik support. Detta arbete stöddes av ett tvärvetenskapligt anslag från Else-Kröner-Fresenius-Stiftung (2012_A94). D. Bettenworth fick stöd av ett forskningsstipendium från Medicinska fakulteten, Westfälische Wilhelms-Universität Münster. M. Brückner fick stöd av ett "Gerok" rotationsläge Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG SFB1009B8). Vi tackar Heike Blum för illustration av tecknad mus.
Materials
| Name | Company | Catalogue Number | Comment |
| Reagents | |||
| Alfalfa-free diet | Harlan Laboritories, Madison, USA | 2014 | |
| Azoxymethane (AOM) | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | A5486 | |
| Bepanthen eye ointment | Bayer, Leverkusen, Germany | 80469764 | |
| Dextran sulphate sodium (DSS) | TdB Consulatancy, Uppsala, Sweden | DB001 | |
| Eosin | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | E 4382 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | E 9884 | |
| Falcon Tube 50ml | BD Biosciences, Erembodegem, Belgium | 352070 | |
| Florene 100V/V | Abbott, Wiesbaden, Germany | B506 | |
| Fluorescein-Isothiocyanat (FITC)–dextrane | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | FD4-250MG | |
| Haematoxylin | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | HHS32-1L | |
| Isopentane (2- Methylbutane) | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | M32631-1L | |
| Methylene blue | Merck, Darmstadt, Germany | 1159430025 | |
| O.C.T. Tissue Tek compound | Sakura, Zoeterwonde, Netherlands | 4583 | |
| Omnican F – canula | Braun, Melsungen, Germany | 9161502 | |
| Phosphate buffered saline, PBS | Lonza, Verviers, Belgium | 4629 | |
| Sodium Chloride 0,9% | Braun, Melsungen, Germany | 5/12211095/0411 | |
| Standard diet | Altromin, Lage, Germany | 1320 | |
| Tissue-Tek Cryomold | Sakura, Leiden, Netherlands | 4566 | |
| Vitro – Clud | R. Langenbrinck, Teningen, Germany | 04-0002 | |
| Equipment | |||
| AIDA Control | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 20 096020 | |
| Bandpass filter | Semrock, Rochester, USA | HC 716/40 | |
| Bandpass filter | Semrock, Rochester, USA | HC 809/81 | |
| Biopsy Forceps, 3 Fr., 28cm | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 61071ZJ | |
| Dell Monitor | Dell, Frankfurt am Main, Germany | U2412Mb | |
| Examination Sheath, 9 Fr. | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 61029D | |
| Examination Sheath, 9 Fr. | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 61029C | |
| Fiber Optic Light Cable, 3.5mm | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 69495NL | |
| Fluorescein Blue Filter System | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 20100032 | |
| Fluorescein Barrier Filter | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 20100033 | |
| Foot switch | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 20010430 | |
| HOPKINS Telescope, 1.9mm, Length 10cm | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 1830231 | |
| SCB D-light P | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 20 133720 | |
| SCB tricam SL II | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 20 2230 20 | |
| Tubing set instruments VETPUMP II | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 69811 | |
| Tricam PDD PAL | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 20221037 | |
| UniVet Porta | Groppler Medizintechnik, Deggendorf, Germany | BKGM 0451 | |
| Vetpump 2 | Karl Storz – Endoskope, Tuttlingen, Germany | 69321620 |
References
- Bettenworth, D., et al. Translational 18F-FDG PET/CT imaging to monitor lesion activity in intestinal inflammation. Journal of nuclear medicine : official publication, Society of Nuclear Medicine. 54, 748-755 (2013).
- Lewis, J. S., Achilefu, S., Garbow, J. R., Laforest, R., Welch, M. J. Small animal imaging. current technology and perspectives for oncological imaging. European journal of cancer. 38, 2173-2188 (2002).
- Huang, E. H., et al. Colonoscopy in mice. Surgical endoscopy. 16, 22-24 (2002).
- Becker, C., et al. In vivo imaging of colitis and colon cancer development in mice using high resolution chromoendoscopy. Gut. 54, 950-954 (2005).
- Becker, C., Fantini, M. C., Neurath, M. F. High resolution colonoscopy in live mice. Nature protocols. 1, 2900-2904 (2006).
- Neurath, M. F., et al. Assessment of tumor development and wound healing using endoscopic techniques in mice. Gastroenterology. 139, 1837-1843 (2010).
- Pickert, G., et al. STAT3 links IL-22 signaling in intestinal epithelial cells to mucosal wound healing. The Journal of experimental medicine. 206, 1465-1472 (2009).
- Shapira, Y., et al. Utilization of murine laparoscopy for continuous in-vivo assessment of the liver in multiple disease models. Plos one. 4, e4776 (2009).
- Wirtz, S., Neufert, C., Weigmann, B., Neurath, M. F. Chemically induced mouse models of intestinal inflammation. Nature protocols. 2, 541-546 (2007).
- Neufert, C., Becker, C., Neurath, M. F. An inducible mouse model of colon carcinogenesis for the analysis of sporadic and inflammation-driven tumor progression. Nature protocols. 2, 1998-2004 (2007).
- Dieleman, L. A., et al. Chronic experimental colitis induced by dextran sulphate sodium (DSS) is characterized by Th1 and Th2 cytokines. Clinical and experimental immunology. 114, 385-391 (1998).
- Gao, Y., et al. Colitis-accelerated colorectal cancer and metabolic dysregulation in a mouse model. Carcinogenesis. 34, 1861-1869 (2013).
- Foersch, S., Neufert, C., Neurath, M. F., Waldner, M. J. Endomicroscopic Imaging of COX-2 Activity in Murine Sporadic and Colitis-Associated Colorectal Cancer. Diagnostic and therapeutic endoscopy. 2013, 250641 (2013).
- Bremer, C., Ntziachristos, V., Weissleder, R. Optical-based molecular imaging: contrast agents and potential medical applications. European radiology. 13, 231-243 (2003).
- Keller, R., Winde, G., Terpe, H. J., Foerster, E. C., Domschke, W. Fluorescence endoscopy using a fluorescein-labeled monoclonal antibody against carcinoembryonic antigen in patients with colorectal carcinoma and adenoma. Endoscopy. 34, 801-807 (2002).
- Jones, M. K., Tomikawa, M., Mohajer, B., Tarnawski, A. S. Gastrointestinal mucosal regeneration: role of growth factors. Frontiers in bioscience : a journal and virtual library. 4, 303-309 (1999).
- Mertz, H. R., Walsh, J. H. Peptic ulcer pathophysiology. The Medical clinics of North America. 75, 799-814 (1991).
- Pantelis, D., et al. The effect of sealing with a fixed combination of collagen matrix-bound coagulation factors on the healing of colonic anastomoses in experimental high-risk mice models. Langenbeck’s archives of surgery / Deutsche Gesellschaft fur Chirurgie. 395, 1039-1048 (2010).
- Burk, R. R. A factor from a transformed cell line that affects cell migration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 70, 369-372 (1973).
- Msaki, A., et al. The role of RelA (p65) threonine 505 phosphorylation in the regulation of cell growth, survival, and migration. Molecular biology of the cell. 22, 3032-3040 (2011).
- Zigmond, E., et al. Utilization of murine colonoscopy for orthotopic implantation of colorectal cancer. PloS one. 6, e28858 (2011).
- Foersch, S., et al. Molecular imaging of VEGF in gastrointestinal cancer in vivo using confocal laser endomicroscopy. Gut. 59, 1046-1055 (2010).
- Mitsunaga, M., et al. Fluorescence endoscopic detection of murine colitis-associated colon cancer by topically applied enzymatically rapid-activatable probe. Gut. 62, 1179-1186 (2013).
