PET en MRI geleide bestraling van een Glioblastoma Rat-Model met behulp van een Micro-irradiator
Summary
Kleine dierlijke bestraling werd in het verleden meestal uitgevoerd zonder de mogelijkheid om gericht een goed afgebakende tumor volume. Het doel was om na te bootsen de behandeling van menselijke glioblastoma bij ratten. Met behulp van een kleine dierlijke bestraling platform, wij uitgevoerd MRI geleide 3D hoekgetrouwe bestraling met PET gebaseerde sub volume boost in een preklinische instelling.
Abstract
Voor decennia, werd kleine dierlijke straling onderzoek meestal uitgevoerd met behulp van vrij ruwe experimentele opstellingen toepassing van eenvoudige één-beam technieken zonder de mogelijkheid te richten op een specifieke of goed afgebakende tumor volume. De levering van straling werd bereikt met behulp van vaste stralingsbronnen of lineaire versnellers produceren megavoltage (MV) x-stralen. Deze apparaten zijn niet in staat om sub millimeter precisie vereist voor kleine dieren. Bovendien, de hoge doses geleverd aan gezonde omringende weefsel belemmert reactie beoordeling. Het vergroten van de vertaling tussen kleine dierlijke studies en mensen, was ons doel om de behandeling van menselijke glioblastoma in een rat-model na te bootsen. Zodat een nauwkeuriger bestraling in een preklinische instelling, onlangs, werden precisie afbeelding geleide kleine dierlijke straling onderzoek platformen ontwikkeld. Vergelijkbaar met menselijke planningssystemen, behandeling van plan deze micro-irradiators is gebaseerd op computertomografie (CT). Laag contrast van het zachte weefsel op CT maakt het echter zeer uitdagend om te lokaliseren doelen in bepaalde weefsels, zoals de hersenen. Daarom integratie van magnetische resonantie beeldvorming (MRI), die uitstekende soft-weefsel contrast in vergelijking met CT heeft, in staat zou stellen een nauwkeurigere afbakening van de doelstelling voor bestraling. In het laatste opgedaan decennium ook biologische beeldvormingstechnieken, zoals positron emissie tomografie (PET) belang voor straling therapie behandeling begeleiding. PET maakt de visualisatie van bijvoorbeeld, glucose consumptie, aminozuur vervoer of hypoxie, aanwezig in de tumor. Gericht op die zeer proliferatieve of radio-resistente delen van de tumor met een hogere dosis zou een voordeel van overleving. Deze hypothese heeft geleid tot de invoering van de biologische tumor volume (BTV), naast de conventionele bruto doelvolume (GTV), klinische doelvolume (CTV) en geplande doelvolume (PTV).
De preklinische beeldvorming lab van de Universiteit Gent, een micro-irradiator, een klein dier PET, en een 7 T klein dier MRI zijn beschikbaar. Het doel was om MRI geleide bestraling en PET-geleide sub volume boost in een glioblastoma rat model te nemen.
Introduction
Hoogwaardige glioma is de meest voorkomende en meest agressieve kwaadaardige hersentumor bij volwassenen met een mediane overleving van 1 jaar, ondanks de huidige behandelmodaliteiten. De standaard van zorg omvat maximale chirurgische resectie gevolgd door gecombineerde externe lichtbundel radiotherapie (RT) en temozolomide (TMZ), gevolgd door onderhoud TMZ1,2,3. Sinds de introductie van TMZ nu meer dan 15 jaar geleden, zijn geen significante verbeteringen aangebracht in de behandeling van deze tumoren. Daarom is de implementatie van nieuwe therapeutische strategieën dringend maar eerst moet worden onderzocht in kleine dierlijke kanker therapie modellen (meestal muizen en ratten). Tumor-dragende knaagdier modellen kunnen worden gebruikt om te onderzoeken van de werkzaamheid van nieuwe en complexe straling protocollen, eventueel gecombineerd met andere (nieuwe) behandeling agenten, om te beoordelen van straling reactie of te onderzoeken van radio-beschermende agenten. Een groot voordeel van preklinische straling onderzoek is de mogelijkheid om te werken onder gecontroleerde experimentele omstandigheden met behulp van grote cohorten resulterend in versnelde gegevens opbrengst te wijten aan de kortere levensduur van knaagdieren. De preklinische bevindingen moeten vervolgens worden vertaald in een klinische proef in een veel snellere en meer efficiënte manier dan in de huidige praktijk4.
Kleine dierlijke straling experimenten in de laatste decennia zijn meestal bereikt met behulp van vaste straling bronnen5,6,7, bijvoorbeeld, 137Cs en 60Co, isotopen, of lineair versnellers bestemd voor menselijke klinische gebruik, toe te passen van een interne stralingsveld met MV x-stralen6,8,9,10,11. Echter, deze apparaten bereiken geen sub millimeter precisie, die vereist voor kleine dieren12 is. Bovendien, MV x-stralen hebben kenmerken ongeschikt voor het bestralen van kleine doelen, zoals de opbouw van een dosis op het raakvlak van de lucht-weefsel in de regio van de ingang van de lichtbundel met een omvang in de volgorde van het dier grootte zelf4,6 ,8,9,10,11. Deze laatste maakt het vrij uitdagend om te leveren een uniforme dosis aan een tumor terwijl sparend omringende normale hersenen weefsel4,8,9,10,11. Vandaar, is het onduidelijk in welke mate de huidige dierlijke studies nog steeds relevant voor de moderne RT praktijk12 zijn. In dit verband onlangs ontwikkelde driedimensionale (3D) hoekgetrouwe kleine dierlijke micro-irradiators zijn veelbelovend om de technologische kloof tussen geavanceerde 3D beeld-geleide RT technieken, zoals intensiteit Intensiteitsgemoduleerde radiotherapie (IMRT) of hoekgetrouwe bogen gebruikt in de mens en de huidige kleine dierlijke bestraling4,13. Deze platforms maken gebruik van een kilovoltage (kV) X-ray bron te verkrijgen van de scherpe penumbras en te vermijden dosis opbouw. Deze platforms omvatten een computergestuurde podium voor dier positionering, een kV X-ray bron voor beeldvorming en radiotherapie, een roterende gantry vergadering om levering van de straling uit verschillende hoeken, en een collimating systeem aan de vorm van de bundel van straling 4. in 2011, een micro-irradiator werd geïnstalleerd op de preklinische beeldvorming lab van de Universiteit van Gent (Figuur 1). Dit systeem is vergelijkbaar met moderne menselijke radiotherapie praktijk en biedt een breed scala aan preklinische experimenten, zoals de synergie van de straling met andere therapieën, complexe straling regelingen en beeld-geleide sub doel boost studies.
Behandeling van plan deze micro-irradiators is gebaseerd op CT, die gelijk is aan menselijke plannen systemen14,15. Voor CT beeldvorming, wordt een on-board X-ray detector gebruikt in combinatie met de dezelfde kV röntgenbuis dat wordt gebruikt tijdens de behandeling. CT beeldvorming wordt gebruikt als het voorziet in de nauwkeurige dierlijke positionering en informatie die nodig is voor individuele straling dosis berekeningen via segmentatie biedt. Echter, als gevolg van het lage contrast van het zachte weefsel in CT beeldvorming, tumoren in de hersenen van kleine dieren, zoals hoogwaardige glioma, gemakkelijk kunnen niet worden afgebakend. De opneming van multimodaliteit imaging is daarom noodzakelijk voor een nauwkeurig doel volume afbakening. Vergeleken met CT, biedt MRI enorm superieure zachte-weefsel contrast. Dit maakt het veel gemakkelijker om te visualiseren laesie grenzen die in een veel betere afbakening van het doelvolume resulteren zal, helpen om beter te bestralen van de laesie en te voorkomen dat het omliggende weefsel, zoals geïllustreerd in Figuur 24, 16. Een bijkomend voordeel is dat de MRI gebruikt niet-ioniserende straling, in tegenstelling tot CT die gebruik van ioniserende straling maakt. De belangrijkste nadelen van MRI zijn de verwerving van de relatief lange tijden en hoge operationele kosten. Het is belangrijk op te merken dat de MRI-scans kunnen niet worden gebruikt voor berekeningen van de dosis, zoals zij niet het vereiste elektronen dichtheid informatie, bieden hoewel vooruitgang is geboekt op dit gebied, ook met de recente ontwikkeling van MIJNHEER-LINACS. Als zodanig is een gecombineerde CT/MRI dataset de methode van keuze voor de planning van de bestraling van kwaadaardige glioma, met zowel de vereiste informatie voor targeting (MRI gebaseerde volumes) en voor dosis berekeningen (op basis van CT elektron dichtheid).
Als u wilt verkleinen van de kloof tussen kleine dierlijke bestraling en klinische routine, moet MRI duidelijk worden geïntegreerd in de workflow van de micro-irradiator, een juiste registratieplichtige tussen MRI en CT, die verre van triviaal is. In dit document, ons protocol voor MRI geleide 3D hoekgetrouwe doorstraling van F98 glioblastoma bij ratten wordt besproken, die is onlangs gepubliceerd17.
Hoewel het opnemen van CT en MRI in de workflow van de micro-irradiator een duidelijke stap voorwaarts in kleine dierlijke bestraling onderzoek is, deze anatomische beeldvormingstechnieken niet altijd mogelijk een volledige definitie van het doelvolume. Pathologische veranderingen in de hersenen op CT en MRI worden gekenmerkt door een verhoogd vochtgehalte (oedeem) en lekkage van de bloed – hersenbarrière of contrastverbetering. Contrastverbetering zowel hyper-intens gebieden op MRI T2-gewogen zijn echter niet altijd een nauwkeurige maatstaf van omvang van de tumor.Tumorcellen hebben geconstateerd tot ver buiten de marges van contrastverbetering12. Ook herkent geen van deze technieken de meest agressieve onderdelen binnen de tumor, die verantwoordelijk voor therapeutische weerstand en herhaling van de tumor wellicht. Daarom aanvullende informatie van moleculaire beeldvormingstechnieken als huisdier een meerwaarde voor RT hebben kan target volume definitie omdat deze technieken in staat stellen om te visualiseren van biologische trajecten in vivo12,18, 19.
In 2000 introduceerde Ling et al. het concept van biologische doelvolume (BTV worden opgespoord) door de integratie van anatomische en functionele beeldvorming in de workflow van de radiotherapie, wat leidt tot wat zij multidimensionale conformele radiotherapie20 noemen. Hierdoor ontstaat de mogelijkheid om de dosis richten door het leveren van een niet-uniforme dosis naar een doel-regio met behulp van bijvoorbeeld PET beelden. De meest gebruikte PET tracer voor tumor staging en voor het controleren van de behandeling is reactie fluor-18 (18F) fluorodeoxyglucose (FDG), die het glucose metabolisme21visualiseert het label. In hoofd en nek kanker, vorige studies hebben aangetoond dat het gebruik van 18F-FDG-PET heeft geleid tot een betere schatting van de werkelijke tumor volume, zoals gedefinieerd door de pathologische specimens, vergeleken met CT en MRI22. In primaire hersenen zijn tumoren, waar FDG is niet handig als gevolg van de zeer sterke achtergrond signaal van de normale hersenen, aminozuren, zoals 11C-methionine en meer recentelijk 18F-fluoroetthyltyrosine (FET), onderzocht voor GTV afbakening met vaak uitgesproken verschillen tussen aminozuur PET en MRI gebaseerde GTVs23. Echter is geen potentiële proces onderzoekt de betekenis van deze bevinding verricht nog. Wij hebben in deze studie gekozen de aminozuur tracer 18F-FET en de hypoxie tracer 18F-fluoroazomycin-arabinoside (18F-FAZA). 18 F-FET en 18F-FAZA werden geselecteerd omdat een verhoogde-aminozuur opname is sterk gecorreleerd met het tarief van de proliferatie in GB tumoren, overwegende dat de opname van een hypoxie PET-tracer is gecorreleerd met weerstand tegen18 radiotherapie (chemo) , 23. sub volume stimuleren met behulp van de micro-irradiator werd geoptimaliseerd door een extra stralingsdosis te geven aan een PET gedefinieerde deel van de F98 GB tumor bij ratten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Om te bereiken van nauwkeurige bestraling van het doel van glioblastoma tumor in de hersenen van de rat, was de micro-irradiator aan boord CT begeleiding niet voldoende. Hersentumoren zijn nauwelijks zichtbaar als gevolg van onvoldoende weke contrast, zelfs als contrastverbetering zou worden gebruikt. MRI moet als zodanig worden opgenomen zodat nauwkeuriger bestraling. Met behulp van een sequentiële heer acquisitie op een 7 T-systeem en een CT-overname op de micro-irradiator we konden richten de dosis aan het contrast-v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank Stichting Luka Hemelaere en Soroptimist International voor de ondersteuning van dit werk.
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).
