PET y resonancia magnética guiada por irradiación de un modelo de rata de Glioblastoma usando un Micro-irradiador
Summary
En el pasado, irradiación de animales pequeños fue realizada generalmente sin la posibilidad de dirigir un volumen de tumor bien delineado. El objetivo era simular el tratamiento de glioblastoma humano en ratas. Utilizando una plataforma de irradiación de animales pequeños, se realiza irradiación conformal 3D MRI-dirigido con PET-volúmenes basado en el impulso en un entorno de preclínico.
Abstract
Durante décadas, investigación animal pequeño de la radiación sobre todo se realizó con bastante crudas configuraciones experimentales aplicando técnicas de una viga simple sin la posibilidad de tratar un volumen de tumor específico o bien delineado. La entrega de la radiación fue alcanzada usando fuentes de radiación fijo o aceleradores lineales que producen rayos x del megavoltage (MV). Estos dispositivos son capaces de lograr precisión submilimétrica para pequeños animales. Además, las elevadas dosis entregan al sano circundante tejido cesta respuesta evaluación de. Para aumentar la traducción entre pequeños estudios en animales y seres humanos, nuestro objetivo era imitar el tratamiento de glioblastoma humano en un modelo de rata. Para habilitar una irradiación más precisa en un entorno de preclínica, recientemente, plataformas de investigación guiada por la imagen pequeña animal radiación de precisión fueron desarrolladas. Similar a los sistemas de planificación humanos, planificación en estos micro-Irradiadores del tratamiento se basa en la tomografía computada (CT). Sin embargo, el bajo contraste de tejidos blandos en el CT hace muy difíciles de localizar objetivos en ciertos tejidos, como el cerebro. Por lo tanto, la incorporación de resonancia magnética (MRI), que cuenta con excelente contraste de tejidos blandos en comparación con la CT, permitiría una delimitación más precisa de la meta para la irradiación. En las últimas técnicas de imagen también biológica década, tales como la tomografía por emisión de positrones (PET) habían cobrado interés para guía de tratamiento de terapia de radiación. PET permite la visualización de p. ej., consumo de glucosa, transporte de aminoácidos o hipoxia, presente en el tumor. Dirigidas a las partes altamente proliferativas o radio-resistente del tumor con una dosis más alta podrían dar un beneficio de supervivencia. Esta hipótesis condujo a la introducción del volumen del tumor biológica (BTV), además el volumen bruto convencional (GTV), volumen blanco clínico (CTV) y volumen de destino planificado (PTV).
En el laboratorio de imagen preclínico de la Universidad de Gante, un irradiador de micro, un pequeño animal animal doméstico y un animal pequeño de T 7 MRI están disponibles. La meta era incorporar irradiación dirigida por MRI y PET guiado secundario-volumen aumentar en un modelo de rata de glioblastoma.
Introduction
Glioma de alto grado es el tumor cerebral maligno más común y más agresivo en adultos con una supervivencia mediana de 1 año a pesar de las modalidades de tratamiento actual. La norma del cuidado incluye máxima resección quirúrgica seguida de radioterapia de haz externo combinada (RT) y temozolomida (TMZ), seguido de mantenimiento TMZ1,2,3. Desde la introducción de TMZ ahora hace más de 15 años, no se han realizado ninguna mejora significativa en el tratamiento de estos tumores. Por lo tanto, la implementación de nuevas estrategias terapéuticas es urgente, pero debe investigarse primero en modelos de terapia de cáncer de animales pequeños (ratones y ratas). Modelos de roedores con tumores pueden utilizarse para investigar la eficacia de los protocolos de radiación nuevas y complejas, posiblemente combinado con otros agentes (nuevo) de tratamiento, para evaluar la respuesta de la radiación o para investigar a agentes protectores de radio. Una ventaja importante de la investigación preclínica de la radiación es la capacidad para trabajar bajo condiciones experimentales controladas utilizando a grandes cohortes resultante en el rendimiento de datos acelerada debido a la corta duración de la vida de roedores. Los resultados preclínicos deben traducirse entonces en un ensayo clínico de una manera mucho más rápida y más eficiente que en la actual práctica4.
Experimentos de radiación pequeña de animales en las últimas décadas se han logrado típicamente usando fuentes de radiación fijo5,6,7, p. ej., 137Cs y 60Co, isótopos, o lineal aceleradores de destinado a uso clínico humano, aplicación de un campo de solo radiación con rayos x MV6,8,9,10,11. Sin embargo, estos dispositivos no alcanzan la precisión submilimétrica, que se requiere para pequeños animales12. Además, MV radiografías con características inadecuadas para irradiar blancos pequeños, tales como la acumulación de dosis en la interfase aire-tejido en la región de entrada de la viga con un punto en el orden del animal sí mismo tamaño4,6 ,8,9,10,11. Este último es bastante difícil para entregar una dosis uniforme a un tumor mientras que ahorra alrededor de cerebro normal tejido4,8,9,10,11. Por lo tanto, no está claro en que medida actual los estudios en animales son todavía relevantes para moderno RT práctica12. En este sentido, recientemente desarrollados tridimensional (3D) conformal pequeños animales micro-bactericidas son prometedoras para reducir la brecha tecnológica entre 3D guiada por imagen RT técnicas avanzadas, como la radioterapia de intensidad modulada (IMRT) o arcos conformales en los seres humanos y actual irradiación animal pequeña4,13. Estas plataformas hacen uso de una fuente de radiografía del kilovoltage (kV) obtener penumbras agudos y evitar la acumulación de dosis. Estas plataformas incluyen una etapa controlada por ordenador para el posicionamiento, un kV de animal fuente de rayos x para la proyección de imagen y radioterapia, una Asamblea de pórtico rotatorio para permitir la administración de radiación desde varios ángulos y un sistema de colimación para formar el haz de radiación 4. en 2011, un micro-irradiador fue instalado en el laboratorio de imagen preclínico de la Universidad de Gante (figura 1). Este sistema es similar a la práctica de radioterapia humana moderna y permite una amplia variedad de experimentos preclínicos, tales como la sinergia de la radiación con otras terapias, sistemas de radiación compleja y guiada por la imagen objetivo secundario impulso estudios.
Planificación en estos micro-Irradiadores del tratamiento se basa en TC, que es equivalente a la de14,de sistemas de planificación humana15. Para la proyección de imagen de CT, un detector de rayos x a bordo se utiliza en combinación con el mismo tubo de rayos x de kV que se utiliza durante el tratamiento. Proyección de imagen de CT se utiliza ya que permite la colocación exacta del animal y proporciona la información necesaria para los cálculos de dosis de radiación individual mediante segmentación. Sin embargo, debido al bajo contraste de tejidos blandos en CT imágenes, tumores en el cerebro de pequeños animales, como el glioma de alto grado, no pueden ser delineados fácilmente. La incorporación de la imagen multimodalidad por lo tanto es necesaria una delineación de volumen exacto destino. En comparación con la CT, el MRI proporciona ampliamente superior contraste de tejidos blandos. Esto hace mucho más fácil visualizar los límites de la lesión que resultan en una mucho mejor delimitación del volumen blanco, ayudando a mejor irradiar la lesión y evitar el tejido circundante, como se muestra en figura 24, 16. Una ventaja adicional es que el MRI utiliza radiación no ionizante, a diferencia de los CT que utiliza radiación ionizante. Las principales desventajas de la RM son los tiempos de adquisición relativamente largos y altos costos operacionales. Es importante señalar que las exploraciones de MRI no se puede utilizar para los cálculos de dosis, que no proporcionan la información de densidad del electrón requiere, aunque se está avanzando en este campo, también con el desarrollo reciente del Señor LINACS. Como tal, un conjunto de datos de CT/MRI combinado es el método de elección para la planificación de la irradiación de glioma maligno, que contiene la información necesaria para apuntar (volúmenes basados en MRI) y para los cálculos de dosis (densidad del electrón basada en CT).
Para disminuir la brecha entre irradiación de animales pequeños y rutina clínica, MRI claramente debe integrarse en el flujo de trabajo de lo micro-Irradiador, que requieren un registro correcto entre RM y TC, que está lejos de ser trivial. En este trabajo, nuestro protocolo de irradiación conformal 3D MRI-dirigido de F98 glioblastoma en ratas se discute, que ha sido recientemente publicado17.
Aunque la incorporación de CT y MRI del flujo de trabajo de lo micro-irradiador es un claro paso adelante en la investigación de la irradiación de animales pequeños, estas técnicas de imagen anatómicas no siempre permiten una definición completa del volumen de destino. Cambios patológicos en el cerebro en el CT y MRI se caracterizan por aumento del contenido en agua (edema) y la salida de la barrera blood – brain o realce del contraste. Sin embargo, realce del contraste y zonas hiper intensa en T2-weighted MRI no son siempre una medida exacta del grado del tumor.Las células del tumor se han detectado más allá de los márgenes de realce del contraste12. Además, ninguna de estas técnicas puede identificar las partes más agresivas dentro del tumor, que puede ser responsable de la resistencia terapéutica y recurrencia del tumor. Por lo tanto, obtener información adicional de técnicas de imagen moleculares como mascota puede tener un valor añadido para RT objetivo definición del volumen porque estas técnicas permiten visualizar vías biológicas en vivo12,18, 19.
En el año 2000, Ling et al. introdujo el concepto de volumen de destino biológico (BTV) mediante la integración de imágenes anatómicas y funcionales en el flujo de trabajo de radioterapia, a lo que se llama radioterapia conformal multidimensional20. Esto crea la posibilidad de mejorar la dosis objetivo entregando una dosis no uniforme a una región de destino, usando por ejemplo imágenes PET. El más ampliamente utilizado trazadores PET para estadificación del tumor y para monitorear el tratamiento respuesta es fluor-18 (18F) etiquetado fluorodeoxyglucose (FDG), que visualiza la glucosa metabolismo21. En cáncer de cabeza y cuello, estudios anteriores han demostrado que el uso de 18F-FDG PET condujo a una mejor estimación del volumen real del tumor, según lo definido por los especímenes patológicos, en comparación con la CT y MRI22. En primario del cerebro, tumores, donde FDG no es útil debido a la señal de fondo muy fuerte en el cerebro normal, los aminoácidos, tales como 11C-metionina y, más recientemente, 18F-fluoroetthyltyrosine (FET), han sido investigados para GTV delineación con frecuencia marcadas diferencias entre aminoácidos PET y basados en la MRI GTVs23. Sin embargo, ningún ensayo prospectivo investigando el significado de este hallazgo se ha realizado todavía. En este estudio, se seleccionaron los aminoácidos tracer 18F-FET y la hipoxia tracer 18F-fluoroazomycin-arabinósido (18F-FAZA). 18 F-FET y 18F-FAZA fueron seleccionados debido a una mayor absorción de aminoácidos se correlaciona fuertemente con la tasa de proliferación en tumores de GB, mientras que la absorción de una hipoxia trazador PET está correlacionada con la resistencia a (quimio) radioterapia18 , 23. secundario-volumen aumentar utilizando micro-irradiador fue optimizado por dar una dosis adicional de radiación a una parte definida de PET del tumor F98 GB en ratas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Para conseguir irradiación precisa de la meta de tumor glioblastoma en el cerebro de la rata, dirección de CT a bordo del micro irradiador no era suficiente. Tumores cerebrales son apenas visibles debido al contraste de tejidos blandos insuficiente, aunque se utilizaría el realce del contraste. Como tal, MRI debe ser incluido para permitir la irradiación más precisa. Mediante una adquisición secuencial del Señor en un sistema de T 7 y una adquisición de la CT en la micro-irradiador que pudimos apuntar la dosis pa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a Stichting Luka Hemelaere y Asociación Internacional para apoyar este trabajo.
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
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