PET og Mr guidede bestråling af en glioblastom rotte Model ved hjælp af en mikro-irradiator
Summary
I fortiden, var små dyr bestråling normalt udføres uden evnen til at målrette en vel afgrænset tumor volumen. Målet var at efterligne behandling af menneskelige glioblastom i rotter. Brug en lille dyr bestråling platform, udført vi Mr-vejledt 3D conformal bestråling med PET-baseret sub volumen styrke i prækliniske omgivelser.
Abstract
I årtier, var små dyr stråling forskning for det meste udføres ved hjælp af temmelig rå eksperimentelle opsætninger anvende simple single-beam teknikker uden mulighed for at målrette en bestemt eller godt afgrænset tumor volumen. Levering af stråling blev opnået ved hjælp af faste strålingskilder eller lineære acceleratorer producerer megavoltage (MV) røntgenbilleder. Disse enheder er i stand til at opnå sub millimeter præcision kræves for små dyr. Desuden, de høje doser leveret til sund omkringliggende væv hæmmer svar vurdering. For at øge oversættelse mellem små dyreforsøg og mennesker, var vores mål at efterligne behandling af menneskelige glioblastom i en rotte model. Hvis du vil aktivere en mere præcis bestråling i prækliniske omgivelser, for nylig, blev præcision image-vejledt små dyr stråling forskningsplatforme udviklet. Svarende til menneskelige planlægningssystemer, behandling planlægning på disse mikro-irradiators er baseret på computertomografi (CT). Lav bløddelene kontrast på CT gør det imidlertid meget udfordrende at lokalisere mål i visse væv, som hjernen. Derfor ville indlemmede magnetisk resonans imaging (MR), som har fremragende bløddelene kontrast i forhold til CT, give en mere præcis afgrænsning af målet for bestråling. I sidst fik årti også biologiske Billeddannende teknikker, såsom positron emission tomografi (PET) interesse for stråling terapi behandling vejledning. PET gør det muligt for visualisering af fx, glucose forbrug, aminosyre transport eller hypoxi, til stede i tumor. Rettet mod de meget proliferativ eller radio-resistente dele af tumor med en højere dosis kunne give en overlevelse fordel. Denne hypotese førte til indførelsen af biologiske tumor volumen (BTV), ud over den konventionelle brutto destinationsenheden (GTV), kliniske destinationsenheden (CTV) og planlagte destinationsenheden (PTV).
De prækliniske imaging lab af Gent Universitet er en mikro-irradiator, et lille dyr PET og en 7 T lille dyr Mr tilgængelige. Målet var at inkorporere Mr-vejledt bestråling og PET-styrede sub volumen styrke i en glioblastom rotte model.
Introduction
High-Grade gliom er den mest almindelige og mest aggressive ondartet hjernesvulst hos voksne med en median overlevelse på 1 år trods nuværende behandlingsmodaliteter. Standarden for pleje omfatter maksimal kirurgisk resektion efterfulgt af kombinerede ekstern strålebehandling strålebehandling (RT) og temozolomide (TMZ), efterfulgt af vedligeholdelse TMZ1,2,3. Siden indførelsen af TMZ nu mere end 15 år siden, er der sket ingen væsentlige forbedringer i behandlingen af disse tumorer. Derfor er gennemførelsen af nye terapeutiske strategier presserende men undersøges først i små dyr kræft terapi modeller (for det meste mus og rotter). Tumor-bærende gnavere modeller kan bruges til at undersøge effekten af nye og komplekse stråling protokoller, eventuelt kombineret med andre (ny) behandling agenter, at vurdere stråling svar eller at undersøge radio-beskyttende agenter. En stor fordel af prækliniske stråling forskning er evnen til at arbejde under kontrollerede eksperimentelle betingelser ved hjælp af store kohorter resulterer i fremskyndede data udbytte på grund af den kortere levetid af gnavere. Prækliniske resultaterne bør derefter oversættes til et klinisk forsøg på en meget hurtigere og mere effektiv måde end i aktuelle praksis4.
Små dyr stråling eksperimenter i de sidste årtier har typisk opnået ved hjælp af faste stråling kilder5,6,7, f.eks., 137Cs og 60Co, isotoper, eller lineær acceleratorer beregnet til human klinisk brug, anvender en enkelt strålingsfelt med MV x-stråler6,8,9,10,11. Men når disse anordninger ikke sub millimeter præcision, hvilket er nødvendigt for små dyr12. Derudover har MV x-stråler karakteristika uegnet til bestråling små mål, såsom en dosis ophobning på grænsefladen luft-væv i regionen indgangen af stråle med en grad i størrelsesordenen dyret størrelse sig4,6 ,8,9,10,11. Sidstnævnte gør det ganske udfordrende at levere en ensartet dosis til en tumor mens besparende omgivende normale hjerne væv4,8,9,10,11. Derfor er det uklart, i hvilket omfang nuværende dyreforsøg stadig er relevante for moderne RT praksis12. I denne henseende, nyligt udviklede tredimensionale (3D) conformal små dyr mikro-irradiators er lovende at slå bro over den teknologiske kløft mellem avancerede 3D image-vejledt RT teknikker, såsom intensitet moduleret strålebehandling (IMRT) eller Conformal lysbuer anvendes i mennesker og nuværende lille dyr bestråling4,13. Disse platforme gøre brug af en kilovoltage (kV) X-ray kilde at opnå skarpe penumbras og undgå dosis opbygning. Disse platforme omfatter en computer-kontrollerede fase for dyr positionering, en kV X-ray kilde til billedbehandling og strålebehandling, en roterende gantry forsamling at give stråling levering fra forskellige vinkler, og et kolliminerende system til at forme stråling strålen 4. i 2011, en mikro-irradiator blev installeret på den prækliniske imaging lab af Gent Universitet (figur 1). Dette system svarer til moderne menneskers strålebehandling praksis og giver mulighed for en bred vifte af prækliniske forsøg, såsom synergien af stråling med andre behandlingsformer, komplekse stråling ordninger og image-vejledt delmål boost undersøgelser.
Behandling planlægning på disse mikro-irradiators er baseret på CT, hvilket svarer til menneskelig planlægning systemer14,15. For CT billeddannelse, der en on-board X-ray detektor bruges i kombination med den samme kV X-ray tube, der bruges under behandling. CT billeddannelse anvendes, da det giver mulighed for nøjagtig animalske positionering og indeholder oplysninger nødvendige for individuelle stråling dosis beregninger via segmentering. Men på grund af den lave bløddelene kontrast i CT billeddannelse, tumorer i hjernen i små dyr såsom high-grade gliom, kan ikke være let afgrænset. Indarbejdelse af multimodalitet imaging er derfor nødvendigt for en nøjagtig target volume afgrænsning. Sammenlignet med CT, giver Mr langt overlegen bløddelene kontrast. Dette gør det meget nemmere at visualisere læsion grænser, som vil resultere i en meget bedre afgrænsning af destinationsdiskenheden, hjælper til bedre bestråle læsion og undgå omkringliggende væv, som illustreret i figur 24, 16. En yderligere fordel er, at Mr bruger ikke-ioniserende stråling, i modsætning til CT, der bruger ioniserende stråling. De større ulemper ved MRI er forholdsvis lang erhvervelse gange og høje driftsomkostninger. Det er vigtigt at bemærke, at Mr-scanninger ikke kan bruges til beregninger af dosis, da de ikke giver de nødvendige elektron tæthed oplysninger, selv om der gøres fremskridt på dette område, også med den seneste udvikling af hr.-LINACS. En kombineret CT/Mr datasæt er den foretrukne metode til planlægning af bestråling af maligne gliom, der indeholder både oplysninger, der kræves for målretning (Mr-baserede diskenheder) og dosis beregninger (CT-baseret elektron tæthed).
For at mindske kløften mellem små dyr bestråling og kliniske rutine, skal Mr klart integreres i arbejdsflow af mikro-irradiator, der kræver en korrekt registrering mellem Mr og CT, som ligger er trivielt. I dette papir, vores protokol for Mr-vejledt 3D conformal bestråling af F98 glioblastom i rotter er diskuteret, offentliggjort som er blevet for nylig17.
Selvom indarbejde CT og Mr i arbejdsprocessen af mikro-irradiator er et klart skridt fremad i små dyr bestråling forskning, tillader disse anatomiske Billeddannende teknikker altid ikke en fuldstændig definition af destinationsdiskenheden. Patologiske ændringer i hjernen på CT og Mr er karakteriseret ved øget vand indhold (ødem) og udsivning af blod – hjerne barrieren eller kontrastforbedring. Men både kontrastforbedring og hyper-intens områder på T2-vægtet Mr er ikke altid en nøjagtig måling af tumor omfang.Tumorcellerne har fundet langt ud over kanten af kontrastforbedring12. Ingen af disse teknikker kan også identificere de mest aggressive dele inden for tumor, som kan være ansvarlig for terapeutisk modstand og tumor recidiv. Derfor, yderligere oplysninger fra molekylær billeddannelse teknikker som PET kan have en merværdi for RT målrette volumen definition, fordi disse teknikker gør det muligt for at visualisere biologiske veje i vivo12,18, 19.
I 2000 indførte Ling et al. begrebet biologisk destinationsenheden (BTV) ved at integrere anatomisk og funktionel billeddannelse i arbejdsprocessen strålebehandling, fører til hvad de kaldte multidimensional conformal strålebehandling20. Dette skaber mulighed for at forbedre dosis målretning ved at levere en uensartet dosis til et målområde ved hjælp af for eksempel PET billeder. Mest anvendte PET tracer for tumor iscenesættelse og for at overvåge behandlingen svar er fluor-18 (18F) mærket fluorodeoxyglucose (FDG), som visualiserer glukose metabolisme21. I hoved og hals kræft, tidligere undersøgelser har vist, at brugen af 18F-FDG PET førte til et bedre estimat af den faktiske tumor volumen, som defineret af de patologiske prøver, sammenlignet med CT og Mr22. I primære hjerne er tumorer, hvor FDG ikke er nyttigt på grund af det meget stærke baggrund signal fra den normale hjerne, aminosyrer, som 11C-methionin og mere nylig 18F-fluoroetthyltyrosine (FET), blevet undersøgt for GTV afgrænsning med ofte markante forskelle mellem aminosyrer PET og MRI-baseret GTVs23. Ingen kommende retssag undersøger betydningen af denne konstatering er imidlertid blevet udført endnu. I denne undersøgelse, har vi valgt aminosyre tracer 18F-FET og hypoksi tracer 18F-fluoroazomycin-arabinoside (18F-FAZA). 18 F-FET og 18F-FAZA blev valgt fordi en øget aminosyre optagelse er stærkt korreleret med spredning sats i GB tumorer, der henviser til, at optagelsen af en hypoxi PET-sporstof er korreleret med modstand (kemo) strålebehandling18 , 23. sub volumen styrke ved hjælp af mikro-irradiator var optimeret ved at give en ekstra stråledosis til en PET-defineret del af F98 GB tumor i rotter.
Protocol
Representative Results
Discussion
For at opnå nøjagtige bestråling af glioblastom tumor mål i hjernen, rotte, var mikro-irradiator’s on-board CT vejledning ikke tilstrækkelig. Hjernetumorer er næsten ikke synlig på grund af utilstrækkelig bløddele kontrast, selvom kontrastforbedring ville blive brugt. Som sådan, skal Mr medtages for at give mulighed for mere præcis bestråling. Ved hjælp af en sekventiel hr. erhvervelse på et 7 T system og en CT erhvervelse på mikro-irradiator vi var i stand til at målrette dosis på kontrast-styrke tumor …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Stichting Luka Hemelaere og Soroptimist International til støtte for dette arbejde.
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).
