PET ו- MRI מודרך הקרנה של מודל גליובלסטומה עכברים באמצעות מיקרו-בעוצמה
Summary
בעבר, הקרנה בעלי חיים קטנים בוצעה בדרך כלל ללא יכולת למקד נפח הגידול מוגדרים היטב היטב. המטרה הייתה כדי לחקות את הטיפול של גליובלסטומה אנושי אצל חולדות. באמצעות פלטפורמה הקרנה בעלי חיים קטנים, ביצענו מונחה MRI תלת-ממד קונפורמיים הקרנה עם חיית המחמד המשנה של אמצעי אחסון מבוססי לחיזוק באווירה פרה.
Abstract
במשך עשורים, קרינה בעלי חיים קטנים המחקר בוצע בעיקר באמצעות גולמי למדי setups ניסיוני החלים טכניקות פשוטות חד-קרן ללא היכולת למקד אמצעי אחסון ספציפי או מוגדרים היטב היטב גידול. המסירה של קרינה הושג באמצעות מקורות הקרינה קבוע או מאיצים קוויים הפקת צילומי רנטגן megavoltage (MV). התקנים אלה אינם יכולים להשיג דיוק מילימטר הנדרשים לבעלי-חיים קטנים. יתר על כן, במינונים גבוהים נמסר בריא שמסביב רקמות הכביסה התגובה הערכה. כדי להגדיל את התרגום בין קטן מחקרים שנעשו בבעלי חיים ובבני אדם, המטרה שלנו היה לחקות את הטיפול של גליובלסטומה האנושי במודל של עכברים. כדי לאפשר הקרנה מדויקת יותר באווירה פרה, לאחרונה, דיוק תמונה מונחה קרינה בעלי חיים קטנים מחקר הפלטפורמות פותחו. בדומה למערכות התכנון האנושי, טיפול מתכנן אלה המיקרו-irradiators מבוסס על טומוגרפיה (CT). עם זאת, חדות נמוכה ברקמות הרכות על CT מקל מאוד מאתגרת כדי להתאים לשפה מטרות ברקמות מסוימות, כגון המוח. לפיכך, שילוב דימות תהודה מגנטית (MRI), בעל ניגודיות מצוינת ברקמות הרכות, בהשוואה ל- CT, תאפשר של תיחום מדויק יותר של היעד עבור הקרנה. בחודש האחרון טכניקות הדמיה גם ביולוגי של העשור, כגון טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET) צבר ריבית להדרכה טיפול טיפול קרינה. PET מאפשר את החזיית למשל, צריכת גלוקוז, חומצות תחבורה או היפוקסיה, נוכח הגידול. פילוח אותם חלקים מאוד המקדימות או רדיו עמידים של הגידול עם מינון גבוה יותר יכול לתת יתרון הישרדות. השערה זו הובילה המבוא של נפח גידול ביולוגי (BTV), מלבד אמצעי האחסון קונבנציונאלי היעד ברוטו (GTV), אחסון של יעד קליניים (CTV), אחסון של יעד מתוכנן (זאת).
במעבדה הדמיה פרה של אוניברסיטת גנט, זמינות של מיקרו-בעוצמה, חיה קטנה PET ו- 7 T חיה קטנה MRI. המטרה היא לשלב הקרנה מונחה MRI ו מונחה PET אחסון תת לחיזוק במודל חולדה גליובלסטומה.
Introduction
Glioma בדרגה גבוהה הוא הגידול ממאיר במוחו הנפוץ ביותר, האגרסיביים ביותר במבוגרים עם חציון ההישרדות של 1 שנה למרות הקדמה הנוכחי. הטיפול כולל כריתה כירורגית מקסימלי ואחריו טיפול קרינתי חיצוני משולב קרן (RT) temozolomide (TMZ), ואחריו תחזוקה TMZ1,2,3. מאז כניסתה של TMZ עכשיו יותר מאשר לפני 15 שנה, אין שיפורים משמעותיים שנעשו על הטיפול של גידולים אלה. לכן, יישום אסטרטגיות טיפוליות חדשות דחוף אבל כדאי ייחקר תחילה במודלים טיפול לסרטן בבעלי חיים קטנים (בעיקר עכברים וחולדות). מודלים מכרסמים נושאות יכול לשמש כדי לחקור את היעילות של פרוטוקולים חדשים ומורכבים קרינה, ואולי בשילוב עם הסוכנים טיפול (חדש), כדי להעריך את התגובה קרינה או לחקור סוכנים רדיו-מגן. היתרון העיקרי של המחקר קרינה פרה היא היכולת לעבוד תחת תנאים מבוקרים ניסיוני באמצעות קוהורטות גדולות וכתוצאה מכך התשואה נתונים מואצת עקב לכלבים קצר יותר של מכרסמים. הממצאים פרה צריך להיות מתורגם ואז ניסוי קליני בצורה הרבה יותר מהר ויעיל יותר מאשר תרגול הנוכחי4.
ניסויים קרינה בעלי חיים קטנים בעשרות השנים האחרונות בדרך כלל הושגו באמצעות קרינה קבוע מקורות5,6,7, למשל, 137Cs ו- 60Co, איזוטופים, או ליניארית ‘ מאיצים ‘ מיועד לשימוש קליני בבני אדם, החלת שדה הקרינה יחיד עם צילומי רנטגן MV6,8,9,10,11. עם זאת, התקנים אלה לא להגיע דיוק מילימטר, אשר נדרש עבור חיות קטנות12. יתר על כן, צילומי רנטגן MV יש מאפיינים מתאים בין מטרות קטנות, כגון שיצטברו מינון-הממשק רקמות אוויר באזור הכניסה של הקורה במידה לפי סדר החיות גודלו4,6 ,8,9,10,11. לאחרון הופך די מאתגר כדי לספק מנה אחידה גידול בעוד חוסך סביב מוח נורמלי רקמות4,8,9,10,11. לכן, לא ברור על אילו מחקרים בבעלי חיים הנוכחי במידה עדיין רלוונטיות RT מודרני תרגול12. במובן זה, פיתחה לאחרונה תלת מימדי (3D) קונפורמיים קטנים בעלי חיים מיקרו-irradiators מבטיחים כדי לגשר על הפער הטכנולוגי בין תלת-ממד תמונה מונחה RT בטכניקות מתקדמות, כגון עוצמת מאופנן הקרנות (IMRT) או קשתות קונפורמיים בשימוש בני אדם הקרנה חיה קטנה הנוכחי4,13. פלטפורמות אלה לעשות שימוש של מקור רנטגן kilovoltage (kV) כדי לקבל חדות penumbras וכדי למנוע הצטברות במינון. פלטפורמות אלה כוללים שלב מבוקר-מחשב לחיה מיצוב, kV מקור רנטגן הדמיה, הקרנות, אסיפה גנטרי הסיבוב כדי לאפשר משלוח קרינה זוויות שונות, ומערכת collimating לעצב את קרן קרינה 4. בשנת 2011 מיקרו-בעוצמה הותקן במעבדה הדמיה פרה של אוניברסיטת גנט (איור 1). מערכת זו דומה לאימון הקרנות האנושית המודרנית, ומאפשרת מגוון רחב של ניסויים פרה, כגון הסינרגיה של קרינה עם טיפולים אחרים, ערכות קרינה מורכבות תמונה מונחה מטרה תת להגביר את לימודי.
טיפול מתכנן אלה המיקרו-irradiators מבוסס על CT, אשר שווה ל האדם תכנון מערכות14,15. גלאי על לוח רנטגן CT הדמיה, משמש בשילוב עם אותו kV שפופרת רנטגן המשמש במהלך הטיפול. CT הדמיה משמש זה מאפשר מיקום בעלי חיים מדויק ומספק מידע הדרושים לחישוב מינון הקרינה בודדים באמצעות פילוח. עם זאת, בשל הניגוד ברקמות הרכות נמוך ב- CT הדמיה, גידולים במוח של חיות קטנות, כמו glioma בדרגה גבוהה, לא יכול בקלות מאפשרת. שילוב של הדמיה מודאליות רב לכן הכרחי עבור תיחום אמצעי אחסון יעד מדויק. בהשוואה ל- CT, MRI מספקת ניגודיות לרקמות רכות מאוד נעלים. זה עושה את זה הרבה יותר קל לדמיין את גבולות הנגע כי תגרום תיחום הרבה יותר מאמצעי האחסון היעד, עוזר כדאי להאיר את הנגע ולהימנע סביב רקמות, כמופיע ב איור 24, 16. יתרון נוסף הוא כי MRI משתמשת מייננת, בניגוד CT שעושה שימוש קרינה מייננת. החסרונות העיקריים של MRI הן ארוכות יחסית רכישת פעמים גבוה עלויות התפעול. חשוב לציין כי סריקות MRI אינם יכולים לשמש עבור חישובים במינון, כפי שהם לא מספקים את המידע צפיפות אלקטרונים נדרשים, למרות התקדמות בתחום זה, גם עם ההתפתחות האחרונה של מר-LINACS. ככזה, dataset CT/MRI משולב היא השיטה של בחירה עבור תכנון של ההקרנה של glioma ממאירים, המכיל שני המידע הנדרש עבור מיקוד (מבוססת MRI כרכים), מנה חישובים (צפיפות אלקטרונים מבוסס-CT).
כדי להקטין את הפער בין הקרנה בעלי חיים קטנים ושגרה קליני, MRI בבירור צריך ניתן לשלב את זרימת העבודה המיקרו-בעוצמה הדורשים רישום הנכון בין MRI ו- CT, וזה רחוק טריוויאלי. בנייר זה, פרוטוקול שלנו עבור מונחה MRI תלת-ממד קונפורמיים הקרנה של F98 גליובלסטומה בחולדות הנדונה, אשר כבר פורסם לאחרונה17.
למרות שילוב CT ו- MRI בזרימת העבודה של המיקרו-בעוצמה הוא צעד ברור קדימה במחקר הקרנה בעלי חיים קטנים, טכניקות דימות אנטומי אלה אינם מאפשרים תמיד הגדרה מלאה של אמצעי האחסון היעד. השינויים הפתולוגיים במוח ב- CT ו- MRI מאופיינים על ידי תוכן מים מוגברת (בצקת) ודליפה של מחסום הדם – מוח או שיפור ניגודיות. עם זאת, ניגודיות-שיפור והן רגשניים אזורים ב- MRI משוקלל T2 אינם תמיד מדד מדויק של היקף הגידול.תאים סרטניים זוהו הרבה מעבר לשוליים של ניגודיות-שיפור12. כמו כן, אף אחת משיטות אלה ניתן לזהות את החלקים האגרסיביים ביותר בתוך הגידול, אשר עשוי להיות אחראי על הישנות הגידול והתנגדות טיפולית. לכן, פרטים נוספים של טכניקות הדמיה מולקולרית כאילו PET יש ערך מוסף עבור RT יעד הגדרת עוצמת הקול כי שיטות אלה מאפשרות להמחיש מסלולים ביולוגיים ויוו12,18, 19.
בשנת 2000, לינג. et al. הציג את המושג של אחסון של יעד ביולוגי (BTV) על-ידי שילוב הדמיה אנטומית ופונקציונלית זרימת העבודה של הקרנות, המוביל אל מה הם קראו הקרנות קונפורמיים רב-ממדי20. זה יוצר את האפשרות לשפר את המינון פילוח על-ידי אספקת מנה לא אחידה לאזור היעד באמצעות לדוגמה תמונות חיות מחמד. הנפוצים ביותר PET מעקב עבור הגידול staging, לעקוב אחר הטיפול התגובה היא עבור חיל הים-18 (18F) הנקרא fluorodeoxyglucose (FDG), אשר מדמיין את חילוף החומרים של הגלוקוז21. ב סרטן הראש והצוואר, מחקרים קודמים הראו כי השימוש 18F-FDG מחמד הוביל אומדן טוב יותר של אמצעי האחסון גידול בפועל, כפי שהוגדרו על ידי דגימות פיפטות, לעומת CT ו- MRI22. במוח ראשוניים גידולים, איפה FDG אינה שימושית בשל האות רקע חזק מאוד מן המוח נורמלי, חומצות אמינו, כגון 11C-מתיונין ולאחרונה 18F-fluoroetthyltyrosine (FET), נחקרו עבור GTV תיחום מסומן לעתים קרובות הבדלים בין חומצה אמינית חיית המחמד, מבוססת MRI GTVs23. עם זאת, אין משפט פוטנציאליים חוקר את המשמעות של ממצא זה בוצעה כבר. במחקר זה, בחרנו חומצה אמינית מעקב 18F-FET ו- מעקב היפוקסיה 18F-fluoroazomycin-arabinoside (18F-FAZA). 18 F-FET ו- 18F-FAZA נבחרו משום ספיגה מוגברת של חומצה אמינית קשורה חזק עם קצב התפשטות גידולים ג’יגה-בתים, ואילו ספיגת של היפוקסיה PET-מעקב הוא מתואם עם התנגדות (כימותרפיה) הקרנות18 , 23. תת נפח לחיזוק באמצעות המיקרו-בעוצמה היה מותאם על ידי מתן מנה קרינה נוספים לחלק מוגדרת על-ידי חיית המחמד של הגידול F98 GB בחולדות.
Protocol
Representative Results
Discussion
כדי להשיג הקרנה מדויק של המטרה גידול גליובלסטומה במוח עכברוש, הדרכה CT ב- board של המיקרו-בעוצמה לא היה מספיק. גידולים במוח גלויים בקושי בשל ניגוד רקמות רכות לא מספיק, גם אם אפשר היה שיפור ניגודיות. ככזה, MRI צריך להיכלל כדי לאפשר הקרנה מדויקת יותר. באמצעות רכישת רציפים של מר על מערכת T 7 ורכישה CT ע?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות Stichting לוקה Hemelaere וסורופטימיסט לתמיכה עבודה זו.
Materials
| GB RAT model | |||
| F98 Glioblastoma cell line | ATCC | CRL-2397 | |
| Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | N/A | http://www.criver.com/products-services/basic-research/find-a-model/fischer-344-rat |
| Micropump system | World Precision Instruments | UMP3 | Micro 4: https://www.wpiinc.com/products/top-products/make-selection-ump3-ultramicropump/#tabs-1 |
| Stereotactic frame | Kopf | 902 | Model 902 Dual Small Animal Stereotaxic frame |
| diamant drill | Velleman | VTHD02 | https://www.velleman.eu/products/view/?id=370450 |
| Bone wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/products/wound-closure/hemostatic-bone-wax |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| InfraPhil IR lamp | Philips | HP3616/01 | |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cell culture | |||
| DMEM | Invitrogen | 14040-091 | |
| Penicilline-streptomycine | Invitrogen | 15140-148 | |
| L-glutamine | Invitrogen | 25030-032 | |
| Fungizone | Invitrogen | 15290-018 | |
| Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25300-062 | |
| PBS | Invitrogen | 14040-224 | |
| Falcons | Thermo Scientific | 178883 | 175 cm2 nunclon surface, disposables for cell culture with filter caps |
| Cell freezing medium | Sigma-aldrich | C6164 | Cell Freezing Medium-DMSO, sterile-filtered, suitable for cell culture, endotoxin tested |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Animal irradiation | |||
| Micro-irradiator | X-strahl | SARRP | |
| software for irradiation | X-strahl | MuriPlan | pre-clinical treatment planning system (PCTPS), version 2.0.5. |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal PET | |||
| microPET system possibility 1 | Molecubes | B-Cube | http://www.molecubes.com/b-cube/ |
| microPET system possibility 2 | TriFoil Imaging, Northridge CA | FLEX Triumph II | http://www.trifoilimaging.com |
| PET tracers | In-house made | 18F-FDG, 18F-FET, 18F-FAZA, 18F-Choline | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal MRI | |||
| microMRI system | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan/overview.html |
| Dotarem contrast agent | Guerbet | MRI contrast agent, Dotarem 0,5 mmol/ml | |
| rat whole body transmitter coil | Rapid Biomedical | V-HLS-070 | |
| rat brain surface coil | Rapid Biomedical | P-H02LE-070 | |
| Water-based heating unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
| 30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | 30 G |
| PE 10 tubing (60 cm/injection) | Instech laboratories, Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x .024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
| non-heparinised micro haematocrit capillaries | GMBH | 7493 21 | these capillaries are filled with water to create markers visible on MRI and CT |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Consumables | |||
| isoflurane: Isoflo | Zoetis | B506 | Anaesthesia |
| ketamine: Ketamidor | Ecuphar | Anaesthesia | |
| xylazine: Sedaxyl | Codifar NV | Anaesthesia | |
| catheter | Terumo | Versatus-W | 26G |
| Temozolomide | Sigma-aldrich | T2577-100MG | chemotherapy |
| DMSO | Sigma-aldrich | 276855-100ML | |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Image analysis | |||
| PMOD software | PMOD technologies LLC | PFUS (fusion tool) | biomedical image quantification software (BIQS), version 3.405, https://www.pmod.com/web/?portfolio=22-image-processing-pfus |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Anesthesia-equipment | |||
| Anesthetic movabe unit | ASA LTD | ASA 0039 | ASA LTD, 5 valley road, Keighley, BD21 4LZ |
| Oxygen generator | Veterinary technics Int. | 7F-3 | BDO-Medipass, Ijmuiden |
References
- Stupp, R., et al. Promising survival for patients with newly diagnosed glioblastoma multiforme treated with concomitant radiation plus temozolomide followed by adjuvant temozolomide. J Clin Oncol. 20 (5), 1375-1382 (2002).
- Dhermain, F. Radiotherapy of high-grade gliomas: current standards and new concepts, innovations in imaging and radiotherapy, and new therapeutic approaches. Chin J Cancer. 33 (1), 16-24 (2014).
- Ahmed, R., et al. Malignant gliomas: current perspectives in diagnosis, treatment, and early response assessment using advanced quantitative imaging methods. Cancer Manag Res. 6, 149-170 (2014).
- Verhaegen, F., Granton, P., Tryggestad, E. Small animal radiotherapy research platforms. Phys Med Biol. 56 (12), R55-R83 (2011).
- Kinsella, T. J., Vielhuber, K. A., Kunugi, K. A., Schupp, J., Davis, T. W., Sands, H. Preclinical toxicity and efficacy study of a 14-day schedule of oral 5-iodo-2-pyrimidinone-2-deoxyribose as a prodrug for 5-iodo-2-deoxyuridine radiosensitization in U251 human glioblastoma xenografts. Clin Cancer Res. 6 (4), 1468-1475 (2000).
- Vellimana, A. K., et al. Combination of paclitaxel thermal gel depot with temozolomide and radiotherapy significantly prolongs survival in an experimental rodent glioma model. J Neurooncol. 111 (3), 229-236 (2012).
- Kioi, M., Vogel, H., Schultz, G., Hoffman, R. M., Harsh, G. R., Brown, J. M. Inhibition of vasculogenesis, but not angiogenesis, prevents the recurrence of glioblastoma after irradiation in mice. J Clin Invest. 120 (3), 694-705 (2010).
- Vinchon-Petit, S., Jarnet, D., Jadaud, E., Feuvret, L., Garcion, E., Menei, P. External irradiation models for intracranial 9L glioma studies. J Exp Clin Cancer Res. 29, 142 (2010).
- Yang, W., et al. Convection enhanced delivery of carboplatin in combination with radiotherapy for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 101 (3), 379-390 (2011).
- Rousseau, J., et al. Efficacy of intracerebral delivery of cisplatin in combination with photon irradiation for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 98 (3), 287-295 (2010).
- Baumann, B. C., et al. An integrated method for reproducible and accurate image-guided stereotactic cranial irradiation of brain tumors using the small animal radiation research platform. Transl Oncol. 5 (4), 230-237 (2012).
- Grosu, A. -. L., et al. Implications of IMT-SPECT for postoperative radiotherapy planning in patients with gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 54 (3), 842-854 (2002).
- Butterworth, K. T., Prise, K. M., Verhaegen, F. Small animal image-guided radiotherapy: Status, considerations and potential for translational impact. Br J Radiol. 88 (1045), 4-6 (2015).
- Aird, E. G. A., Conway, J. CT simulation for radiotherapy treatment planning. Br J Radiol. 75 (900), 937-949 (2002).
- Baker, G. R. Localization: Conventional and CT simulation. Br J Radiol. 79 (Spec No 1). , S36-S49 (2006).
- Corroyer-Dumont, A., et al. MRI-guided radiotherapy of the SK-N-SH neuroblastoma xenograft model using a small animal radiation research platform. Br J Radiol. 90 (1069), 20160427 (2017).
- Bolcaen, J., et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). J Neurooncol. 120 (2), 257-266 (2014).
- Niyazi, M., et al. FET-PET for malignant glioma treatment planning. Radiother Oncol. 99 (1), 44-48 (2011).
- Grosu, A. L., et al. First experience with I-123-alpha-methyl-tyrosine SPECT in the 3-D radiation treatment planning of brain gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (2), 517-526 (2000).
- Ling, C. C., et al. Towards multidimensional radiotherapy (MD-CRT):biological imaging and biological conformality. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (3), 551-560 (2000).
- Wahl, R. L., Jacene, H., Kasamon, Y., Lodge, M. A. From RECIST to PERCIST: Evolving Considerations for PET response criteria in solid tumors. J Nucl Med. 50 (5), 122S-150S (2009).
- Daisne, J. F., et al. Tumor volume in pharyngolaryngeal squamous cell carcinoma: comparison at CT, MR imaging, and FDG PET and validation with surgical specimen. Radiology. 233 (1), 93-100 (2004).
- Grosu, A. -. L., Weber, W. PET for radiation treatment planning of brain tumours. Radiother Oncol. 96 (3), 325-327 (2010).
- Banissi, C., Ghiringhelli, F., Chen, L., Carpentier, A. F. Treg depletion with a low-dose metronomic temozolomide regimen in a rat glioma model. Cancer Immunol Immunother. 58, 1627-1634 (2009).
- Robinson, C. G., et al. Effect of alternative temozolomide schedules on glioblastoma O(6)-methylguanine-DNA methyltransferase activity and survival. Br J Cancer. 103, 498-504 (2010).
- España, S., Marcinkowski, R., Keereman, V., Vandenberghe, S., Van Holen, R. DigiPET: sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators. Phys Med Biol. 59 (13), 3405 (2014).
