Hipertermia gerada por ultrassom focalizado de alta intensidade guiado por ressonância magnética: um método de tratamento viável em um modelo de rabdomiossarcoma murino

Summary

Apresentamos aqui um protocolo para usar hipertermia controlada, gerada por ultrassom focalizado de alta intensidade guiado por ressonância magnética, para desencadear a liberação de drogas de lipossomas sensíveis à temperatura em um modelo de rabdomiossarcoma em camundongos.

Abstract

O ultrassom focalizado de alta intensidade guiado por ressonância magnética (MRgHIFU) é um método estabelecido para produzir hipertermia localizada. Dada a imagem em tempo real e a modulação da energia acústica, esta modalidade permite o controle preciso da temperatura dentro de uma área definida. Muitas aplicações térmicas estão sendo exploradas com essa tecnologia não invasiva e não ionizante, como a geração de hipertermia, para liberar fármacos de portadores lipossomais termossensíveis. Essas drogas podem incluir quimioterapias como a doxorrubicina, para as quais a liberação direcionada é desejada devido aos efeitos colaterais sistêmicos limitantes da dose, ou seja, cardiotoxicidade. A doxorrubicina é um pilar para o tratamento de uma variedade de tumores malignos e é comumente usada no rabdomiossarcoma (RMS) recidivante ou recorrente. RMS é o tumor extracraniano sólido de partes moles mais comum em crianças e adultos jovens. Apesar da terapia agressiva e multimodal, as taxas de sobrevida da RMS permaneceram as mesmas nos últimos 30 anos. Para explorar uma solução para atender a essa necessidade não atendida, um protocolo experimental foi desenvolvido para avaliar a liberação de doxorrubicina lipossomal termossensível (TLD) em um modelo de RMS singênico imunocompetente usando MRgHIFU como fonte de hipertermia para liberação de fármacos.

Introduction

O rabdomiossarcoma (RMS) é um tumor de músculo esquelético que ocorre mais comumente em crianças e adultos^jovens1. A doença localizada é frequentemente tratada com tratamento multimodal, incluindo quimioterapia, radiação ionizante e cirurgia. O uso de esquemas quimioterápicos multidrogas é mais prevalente em pacientes pediátricos, com melhores resultados em comparação com seus pares adultos²; no entanto, apesar dos esforços de pesquisa em andamento, a taxa de sobrevida em 5 anos permanece em torno de 30% na forma mais agressiva da doença ^3,4. O tratamento padrão de quimioterapia é um esquema multidrogas que inclui vincristina, ciclofosfamida e actinomicina D. Em casos de doença recidivante ou recorrente, quimioterapias alternativas são usadas, incluindo doxorrubicina (FD) padrão (livre) e ifosfamida¹. Embora todas essas quimioterapias tenham toxicidade sistêmica, a cardiotoxicidade da doxorrubicina impõe uma limitação de dose por toda a vida ^5-7. Para aumentar a quantidade de fármaco entregue ao tumor e minimizar a toxicidade sistêmica, formulações alternativas têm sido desenvolvidas, incluindo o encapsulamento lipossomal. Podem ser doxorrubicina não termossensível, aprovada para o tratamento de câncer de mama e carcinoma hepatocelular, ou doxorrubicina termossensível, cujos ensaios clínicos estão em andamento 8,9,10,11,12,13. Métodos alternativos para a administração de drogas lipossomais encapsuladas, como lipossomas multivesiculares e lipossomas direcionados por ligantes, têm sido avaliados e se mostram promissores para o tratamento de^tumores9. Neste estudo, a adição de calor tem impactos multifatoriais, incluindo a liberação do fármaco¹⁴. A combinação de hipertermia (HT) gerada com ultrassom focalizado de alta intensidade guiado por ressonância magnética (MRgHIFU) e doxorrubicina lipossomal termossensível (TLD) é uma nova abordagem terapêutica multimodal para o uso dessa droga tóxica, mas eficaz no tratamento da SMR, minimizando a toxicidade limitante da dose e potencialmente aumentando a resposta imune ao tumor.

A doxorrubicina liberta-se rapidamente de TLD a temperaturas >39 °C, muito acima da temperatura média do corpo humano de 37 °C, mas não suficientemente elevada para causar danos nos tecidos ou ablação; isso começa a ocorrer a 43 °C, mas ocorre mais rapidamente quando as temperaturas se aproximam de 60 °C¹⁵. Vários métodos têm sido utilizados para gerar TH in vivo, incluindo lasers, micro-ondas, ablação por radiofrequência e ultrassom focado, muitos dos quais são métodos invasivos de aquecimento¹⁶. MRgHIFU é um método de aquecimento não invasivo e não ionizante que facilita ajustes precisos de temperatura dentro do tecido alvo in situ. A ressonância magnética (RM) fornece imagens em tempo real, onde o software de computador pode ser usado, para calcular uma medida de termometria do tecido durante o tratamento; Posteriormente, esses dados podem ser utilizados para controlar a terapia ultrassônica em tempo real para atingir e manter um set point de temperatura^desejado17. O MRgHIFU tem sido testado em vários tipos de tecidos e pode ser usado para uma ampla gama de tratamentos de temperatura, desde TH leve até ablação, bem como clinicamente para tratar com sucesso metástases ósseas dolorosas¹⁸. Além disso, foi demonstrado que a TH causa citotoxicidade tumoral, modula a expressão proteica e altera a resposta imune no microambiente tumoral 19,20,21,22. Um estudo combinou TH leve com DTL, seguido de ablação com MRgHIFU, em um modelo sinérgico de R1 em^ratos23, resultando em necrose no núcleo do tumor e liberação da droga para a periferia. Tradicionalmente, a radioterapia tem sido usada como terapia adjuvante para danificar as células tumorais e diminuir a recorrência local da doença. No entanto, seu uso é limitado pela dosagem ao longo da vida e danos fora do alvo¹. Assim, a HT é única na medida em que pode causar alguns dos mesmos efeitos sem as mesmas toxicidades ou limitações.

Modelos animais pré-clínicos para RMS incluem modelos imunocompetentes singênicos e xenoenxertos derivados de pacientes (PDX) em hospedeiros imunocomprometidos. Embora os modelos imunocomprometidos permitam o crescimento dos tumores humanos, eles não possuem o microambiente tumoral apropriado e são limitados em sua capacidade de estudar a resposta imune²⁴. A mutação ativadora do FGFR4 é um marcador promissor de mau prognóstico e um potencial alvo terapêutico em RMS adulto e pediátrico ^1,25. Nos modelos singênicos de RMS desenvolvidos no laboratório de Gladdy, os tumores são capazes de crescer em um hospedeiro imunocompetente, que desenvolve respostas imunes inatas e adaptativas ao^tumor26. Como a TH influencia a resposta imune, a observação da alteração na resposta imune murina é uma vantagem valiosa desse modelo tumoral. Para testar tanto a resposta tumoral ao TLD em comparação com a DF, quanto a mudança na resposta imune do tumor tanto à quimioterapia quanto à TH, um protocolo foi desenvolvido e empregado para tratar tumores RMS murinos singênicos in vivo usando MRgHIFU e TLD, que é o foco deste estudo.

Protocol

A pesquisa foi realizada em conformidade com os comitês de cuidados com animais com protocolos de uso de animais aprovados sob um veterinário supervisor nas instalações de pesquisa animal do Centro de Fenogenômica (TCP) e do Centro de Recursos Animais (ARC) da University Health Network (UHN). Todos os procedimentos, exceto o MRgHIFU, envolvendo os animais foram realizados em um gabinete de segurança biológica (BSC) para minimizar a exposição dos animais ao ar externo ou infecção suscetível. <p class="jove…

Representative Results

Usando o protocolo de hipertermia gerada por MRgHIFU, os tumores no membro posterior foram capazes de ser consistentemente aquecidos até a temperatura desejada durante o tratamento (Figura 4 mostra um tratamento representativo, 10 ou 20 min, n = 65). Para considerar um tratamento bem-sucedido, a ROI teve que ser mantida acima de 39 °C durante todo o tratamento, com variação de <6 °C ao longo do tratamento e sem aquecimento do tecido fora do alvo. Além disso, a temperatura central dever…

Discussion

O protocolo aqui desenvolvido foi utilizado para atingir tumores de membros pélvicos utilizando MRgHIFU para tratamento leve de TH e liberação de fármacos encapsulados de lipossomas in vivo. Várias etapas críticas foram encontradas nesse protocolo durante o estudo piloto, e a otimização dessas etapas críticas foi responsável pelo melhor sucesso do tratamento em relação ao estudo piloto. A primeira é a remoção completa dos pelos na área a ser sonicada. Qualquer aprisionamento de gás dentro da pel…

Materials

1.5mL Eppendorf tubes	Eppendorf	22363204
1kb plus DNA Ladder	Froggabio	DM015-R500
2x HS-Red Taq (PCR mix)	Wisent	801-200-MM
7 Tesla MRI BioSpec	Bruker	T184931	70/30 BioSpec, Bruker, Ettlingen, Germany
C1000 Thermal cycler	Biorad	1851148
Clippers	Whal Peanut	8655
Compressed ultrasound gel	Aquaflex	HF54-004
Convection heating device	3M Bair Hugger	70200791401
Depiliatory cream	Nair	61700222611	Shopper's Drug Mart
DMEM	Wisent	219-065-LK
DNeasy extraction kit	Qiagen	69504
DPBS	Wisent	311-420-CL
Drug injection system	Harvard Apparatus	PY2 70-2131	PHD 22/2200 MRI compatible Syringe Pump
Eye lubricant	Optixcare	50-218-8442
F10 Media	Wisent	318-050-CL
FBS	Wisent	081-105
Froggarose	FroggaBio	A87
Gel Molecular Imager	BioRad	GelDocXR
Glutamax	Wisent	609-065-EL
Heat Lamp	Morganville Scientific	HL0100	Similar to this product
Intravascular Polyethylene tubing (0.015" ID x 0.043" OD, 20G)	SAI infusion	PE-20-100
Isoflurane	Sigma	792632
M25FV24C Cell line	Gladdy Lab	N/A
Microliter Syringe	Hamilton	01-01-7648
Molecular Imager Gel Doc XR	Biorad	170-8170
Mouse holder	The 3D printing material used was ABS-M30i, and it was printed on FDM Fortus 380mc machine	N/A	Dimensions: length = 43 mm, outer radius = 15 mm, inner width (where the mouse would sit) = 20.7 mm.
MyRun Machine	Cosmo Bio Co Ltd	CBJ-IMR-001-EX
Nanodrop 8000 Spectrophotometer	Thermo Scientific	ND-8000-GL
p53 primers	Eurofins	N/A	Custom Primers
PCR tubes	Diamed	SSI3131-06
Penicillin/Streptomycin	Wisent	450-200-EL
Proteus software	Pichardo lab	N/A
Respiratory monitoring system	SAII	Model 1030	MR-compatible monitoring and gating system for small animals
Small Bore HIFU device, LabFUS	Image Guided Therapy	N/A	LabFUS, Image Guided Therapy, Pessac, France Number of elements 8 frequency 2.5 MHz diameter  25 mm radius of curvature 20 mm Focal spot size 0.6 mm x 0.6 mm x 2.0 mm Motor: axes 2 Generator: Number of channels 8 Maximum electrical power/channel Wel 4 Maximum electrical power Wel 32 Bandwidth 0.5 – 5 MHz Control per channel: Freq., Phase and. amplitude Measurements per channel: Vrms, Irms, cos(theta) Duty Cycle at 100% power % 100% for 1 min. Transducer: Number of elements 8 frequency  2.5 MHz diameter 25 mm radius of curvature 20 mm Focal spot size  0.6 mm x 0.6 mm x 2.0 mm
SYBR Safe	ThermoFisher Scientific	S33102
TAE	Wisent	811-540-FL
Tail vein catheter (27G 0.5" )	Terumo Medical Corp	15253
Thermal probes	Rugged Monitoring	L201-08
Trypan blue	ThermoFisher Scientific	15250061
Trypsin	Wisent	325-052-EL
Ultrasound Gel	Aquasonic	PLI 01-08