PET og MRI guidet bestråling av en Glioblastoma rotte modell med en mikro-irradiator

Summary

Tidligere var liten dyr bestråling vanligvis utført uten mulighet til å målrette et godt kodedel svulst volum. Målet var å etterligner behandlingen av menneskelige glioblastom i rotter. Bruk en liten dyr bestråling plattform, utført vi MRI-guidede 3D conformal bestråling med PET-baserte sub volumet øker i preklinisk omgivelser.

Abstract

I flere tiår, ble liten dyr stråling forskning det meste utført ved hjelp av ganske grov eksperimentelle oppsett bruke enkel enkelt-beam teknikker uten mulighet til å målrette et bestemt eller godt kodedel svulst volum. Levering av stråling ble oppnådd ved hjelp av fast strålekilder eller lineær gasspedalene produsere megavoltage (MV) røntgenstråler. Disse enhetene er ikke å oppnå sub millimeter presisjon kreves for liten dyrene. Videre de høye doser levert til sunn omkringliggende vev hemme svar vurdering. For å øke oversettelsen mellom små studier på dyr og mennesker, var målet å etterligner behandlingen av menneskelige glioblastom i en rotte modell. For å aktivere en mer nøyaktig bestråling i preklinisk omgivelser, nylig ble presisjon bilde-guidede liten dyr stråling forskning plattformer utviklet. Ligner menneskelige planlegging systemer, behandling planlegger disse mikro-irradiators er basert på beregnet tomografi (CT). Men gjør lav bløtvev kontrast på CT det svært utfordrende å lokalisere mål i visse vev, som hjernen. Derfor vil omfatter magnetisk resonans imaging (MRI), som har utmerket bløtvev kontrasten forhold til CT, gjøre en mer presis avgrensning av målet for bestråling. I sist fikk tiåret også biologiske imaging teknikker, som fantes et positron utslipp tomografi (PET) interesse for stråling terapi behandling veiledning. PET kan visualisering av f.eks, glukose forbruk, aminosyre transport eller hypoksi, i svulsten. Målretting de svært proliferativ eller radio-resistente delene av svulst med en høyere dose kan gi en overlevelse fordel. Denne hypotesen førte til innføringen av biologiske svulst volumet (BTV), i tillegg til konvensjonelle brutto målvolumet (GTV), klinisk målvolumet (CTV) og planlagte målvolumet (PTV).

Ved prekliniske tenkelig lab Ghent University er en mikro-irradiator, en liten dyr PET og en 7 T liten dyr MRI tilgjengelig. Målet var å innlemme MRI-guidede bestråling og PET-guidede sub volumet øker i en glioblastom rotte modell.

Introduction

Høyverdig glioma er den vanligste og mest aggressive ondartede hjernesvulst hos voksne med en median overlevelse av 1 år til tross for gjeldende behandlingsmetoder. Standarden på omsorg inkluderer maksimal kirurgisk resection etterfulgt av kombinert ekstern stråle strålebehandling (RT) og temozolomide (TMZ), etterfulgt av vedlikehold TMZ^1,2,3. Siden introduksjonen av TMZ nå mer enn 15 år siden, er ingen betydelige forbedringer gjort i behandlingen av disse svulstene. Derfor gjennomføringen av nye strategier haster men bør undersøkes først i liten dyr kreft terapi modellene (mest mus og rotter). Svulst-bærende gnager modeller kan brukes til å undersøke effekten av nye og komplekse stråling protokoller, muligens kombinert med andre (ny) behandling agenter, å vurdere stråling svar eller for å undersøke radio-beskyttende agenter. En stor fordel med prekliniske stråling forskning er muligheten til å arbeide under kontrollerte eksperimentelle forhold med store kohorter resulterer i akselerert data avkastning på grunn av det kortere lifespans av gnagere. Prekliniske resultatene skal deretter oversatt til en klinisk studie på en mye raskere og mer effektiv måte enn i gjeldende praksis⁴.

Små dyr stråling eksperimenter i de siste tiårene har vanligvis oppnådd med fast stråling kilder^5,6,7, f.eks, ¹³⁷Cs og ⁶⁰Co, isotoper, eller lineær Gasspedalene ment for human klinisk bruk, bruker et enkelt stråling felt med MV røntgenstråler^6,8,9,10,11. Men nå disse enhetene ikke sub millimeter presisjon, som kreves for små dyr¹². Videre har MV røntgenstråler egenskaper uegnet for irradiating små mål, slik som en dose oppbygging i luft-vevet grensesnittet i regionen inngangen i strålen med en grad i dyr størrelsen^{4,6 ,8,9,10,11}. Sistnevnte gjør det ganske utfordrende å levere en ensartet dose til en svulst skåner rundt normal hjerne vev^4,8,9,10,11. Derfor er det uklart hvilken grad gjeldende dyrestudier fortsatt er relevante for moderne RT praksis¹². I denne forbindelse nylig utviklet tredimensjonale (3D) conformal liten dyr mikro-irradiators er lovende å bygge bro over teknologiske gapet mellom avanserte 3D image-guidede RT teknikker, for eksempel intensitet modulert strålebehandling (IMRT) eller conformal buer i mennesker og gjeldende liten dyr bestråling^4,13. Disse plattformene gjøre bruk av en kilovoltage (kV) X-ray kilde å få skarpe penumbras og unngå dose oppbygging. Disse plattformene inkluderer en datastyrt scene for dyr posisjonering, en kV X-ray kilde for bildebehandling og strålebehandling, en roterende gantry forsamling tillate stråling levering fra forskjellige vinkler, og et collomating system å forme stråling strålen ⁴. i 2011, en mikro-irradiator ble installert ved prekliniske tenkelig lab Ghent University (figur 1). Dette systemet ligner moderne menneskelige strålebehandling praksis og gjør en rekke prekliniske eksperimenter, som synergien av stråling med andre terapier, komplekse stråling ordninger og bilde-guidede sub-målet løft studier.

Behandling planlegger disse mikro-irradiators er basert på CT, som tilsvarer menneskelige planlegging systemer^14,15. For CT bildebehandling brukes en innebygd X-ray detektor sammen med samme kV røntgenbilde rør som brukes under behandling. CT imaging brukes som det gir nøyaktig dyr plassering og gir informasjon nødvendig for personlige stråling dose beregninger via segmentering. Men på grunn av lav bløtvev kontrasten i CT kan ikke tenkelig, svulster i hjernen av små dyr, som høyverdig glioma, være lett avgrenset. Inkorporering av multi-modalitet imaging er derfor nødvendig for en nøyaktig målet kvantum avgrensning. I forhold til CT, gir MRI langt bedre bløtvev kontrast. Dette gjør det mye enklere å visualisere lesjon grensene som vil resultere i en mye bedre avgrensning av målvolumet, bidrar til å bedre irradiate lesjonen og unngå omkringliggende vev, som vist i figur 2^{4, 16}. En ekstra fordel er at Mr bruker ikke-ioniserende stråling, i motsetning til CT som bruker ioniserende stråling. Større ulempene av Mr er relativt lang oppkjøpet ganger og høye driftskostnader. Det er viktig å merke seg at Mr skanner ikke kan brukes for dose beregninger, som de ikke gir den nødvendige elektron tetthet informasjonen, men fremskritt gjøres i dette feltet, også med den siste utviklingen av MR-LINACS. Som sådan, er kombinert CT/MRI dataset metoden for valg for planlegging bestråling av ondartede glioma, som inneholder både informasjon som kreves for målretting (MRI-baserte volumer) og dose beregninger (CT-baserte elektron tetthet).

Du kan redusere gapet mellom små dyr bestråling og klinisk praksis, må MRI klart integreres i arbeidsflyten for mikro-irradiator, som krever en korrekt registrering mellom Mr og CT, som er langt fra ubetydelig. I dette papiret, våre Protokoll for MRI-guidede 3D conformal bestråling av F98 glioblastom i rotter er diskutert, publisert som har vært nylig¹⁷.

Selv om omfatter CT og MRI i arbeidsflyten mikro-irradiator er et klart skritt fremover i små dyr bestråling forskning, tillater disse anatomiske Bildeteknikker alltid ikke en fullstendig definisjon av målvolumet. Patologiske forandringer i hjernen på CT og MRI er preget av økt vann innhold (ødem) og lekkasje av blod – hjerne barrieren eller kontrast ekstrautstyr. Både kontrastforbedring og hyperrealistiske intens områder på T2-vektet MRI er imidlertid ikke alltid et nøyaktig mål på svulst grad.Kreftceller påvist langt utover marger kontrastforbedring¹². Ingen av disse teknikkene kan også identifisere de mest aggressive delene i svulsten, som kan være ansvarlig for terapeutisk motstand og svulst regelmessighet. Derfor, tilleggsinformasjon fra molekylær Bildeteknikker som PET kan ha en merverdi for RT målet kvantum definisjon fordi disse teknikkene aktiverer visualisere biologiske veier i vivo^{12,18, 19}.

I 2000 introduserte Ling et al. begrepet biologiske målvolumet (BTV) ved å integrere anatomiske og funksjonelle bildebehandling i strålebehandling arbeidsflyten, fører til det de kalte flerdimensjonale conformal strålebehandling²⁰. Dette oppretter muligheten til å forbedre dose mål ved å levere en ikke-uniform dose til et mål område med for eksempel PET bilder. Mest brukte PET tracer for svulst regi og for å dataskjerm behandling respons er fluor-18 (¹⁸F) merket fluorodeoxyglucose (FDG), som visualiserer glukose metabolisme²¹. I hode og nakke kreft, har tidligere studier vist at bruken av ¹⁸F-FDG PET førte til et bedre estimat av faktiske svulst volumet, som definert av patologisk prøver, sammenlignet med CT og MRI²². I primære hjernen er svulster, hvor FDG ikke er nyttig på grunn av meget sterk bakgrunn signalet fra normal hjernen, aminosyrer, som ¹¹C-metionin og nylig ¹⁸F-fluoroetthyltyrosine (FET), gransket for GTV avgrensning ofte store forskjeller mellom aminosyre PET og MRI-baserte GTVs²³. Men er ingen potensiell rettssak undersøker betydningen av dette funnet utført ennå. I denne studien valgt vi aminosyre tracer ¹⁸F-FET og hypoksi tracer ¹⁸F-fluoroazomycin-arabinoside (¹⁸F-FAZA). ¹⁸ F-FET og ¹⁸F-FAZA ble valgt fordi en økt aminosyre opptak er sterkt korrelert med spredning ofte i GB svulster, mens opptaket av en hypoksi PET-spor er korrelert med motstand mot (kjemoterapi) strålebehandling^{18 , 23}. sub volumet øker med mikro-irradiator var optimalisert ved å gi en ekstra stråledose til en PET-definert del av F98 GB svulst i rotter.

Protocol

Studien ble godkjent av den etiske komiteen for dyreforsøk (ECD 09/23 og ECD 12/28). Alle kommersielle detaljer finnes i Tabell for materiale. 1. F98 GB rotte celle modell Kultur F98 GB cellene, Hentet fra ATCC, i monolayers Dulbeccos endret Eagle Medium, 10% kalv serum, 1% penicillin, 1% streptomycin, 1% L-glutamin og 0,1% amfotericin b, og plasser i en CO2 inkubator (5% CO2 og 37 ° C). Vaksinere glioma celler i hjernen av Fischer…

Representative Results

For å etterligne menneskelige behandling metodikken for bestråling av glioblastom i en prekliniske modell, var inkludering av MRI-guidede strålebehandling nødvendig. Bruker PCTPS og mikro-irradiator grensesnittet kunne vi irradiate F98 glioblastom i rotter med flere conformal ikke-coplanar buer målretting regionen kontrast forbedret på T1-vektet MRI17. Rigid kropp transformasjoner i kombinasjon med en multi-modalitet seng ble brukt for bildet registrering mel…

Discussion

For å oppnå nøyaktig bestråling av glioblastom svulst målet i rotte hjernen, var mikro-irradiator’s on-board CT veiledning ikke tilstrekkelig. Hjernesvulster er knapt synlig på grunn av utilstrekkelig bløtvev kontrast, selv om kontrast ekstrautstyr ville bli brukt. Som sådan, må MRI tas for å tillate mer presis bestråling. Bruke en sekvensiell MR anskaffelse på et 7 T-system og en CT oppkjøp på mikro-irradiator kunne vi målrette dosen til kontrast-forsterke tumor vev i hjernen og beregne en dose plan med p…

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