PET och MRI guidad bestrålning av en Glioblastoma råtta modell med en mikro-irradiator
Summary
Tidigare utfördes oftast små djur bestrålning utan förmågan att rikta en väl avgränsad tumör volym. Målet var att efterlikna behandling av mänskliga glioblastoma hos råttor. Använda en liten djur bestrålning plattform, utfört vi MRI-guidad 3D conformal bestrålning med PET-baserade sub volym öka i en preklinisk inställning.
Abstract
I decennier har utfördes små djur strålning forskning mestadels använder ganska rå försöksuppställningar tillämpa enkla enkel-beam tekniker utan förmågan för att rikta en specifik eller väl avgränsad tumör volym. Leverans av strålning uppnås med hjälp av fasta strålkällor eller linjära acceleratorer producerar megavoltage (MV) röntgen. Dessa enheter är oförmögen att uppnå sub millimeter precision krävs för små djur. Dessutom höga doser levererade till friska omgivande vävnad hindrar svar bedömning. För att öka översättningen mellan små studier på djur och människor, var vårt mål att efterlikna behandling av mänskliga glioblastoma i en råtta modell. För att möjliggöra en mer exakt bestrålning i en preklinisk inställning, nyligen, utvecklades precision bild-guidad små djur strålning forskningsplattformar. Liknar mänskliga planeringssystem, dosplanering på dessa mikro-irradiators är baserad på datortomografi (CT). Dock gör låg mjukvävnad kontrast på CT det mycket svårt att lokalisera målen i vissa vävnader, till exempel hjärnan. Därför skulle innehåller magnetisk resonanstomografi (MRT), som har utmärkt mjukvävnad kontrast jämfört med CT, möjliggöra en mer exakt avgränsning av målet för bestrålning. Under senaste fick årtiondet också biologiska avbildningstekniker, såsom positronemissionstomografi (PET) intresse för strålning terapi behandling vägledning. PET möjliggör visualisering av t.ex., glukos förbrukning, aminosyra transport eller hypoxi, närvarande i tumören. Inriktning de mycket proliferativ eller radio-resistenta delarna av tumören med en högre dos kan ge en överlevnadsfördel. Denna hypotes ledde till införandet av de biologiska tumör volym (BTV), förutom konventionell brutto målvolymen (GTV), kliniska målvolymen (CTV) och planerade målvolym (PTV).
Vid prekliniska imaging lab av Gents universitet finns en mikro-irradiator, ett litet djur som husdjur och en 7 T litet djur MRI. Målet var att införliva MRI-guidad bestrålning och PET-guidad sub volym öka i en glioblastoma råtta modell.
Introduction
Höggradigt gliom är den vanligaste och mest aggressiva elakartad hjärntumör hos vuxna med en medianöverlevnad på 1 år trots nuvarande behandlingsmetoder. Standarden på sjukvård omfattar maximal kirurgisk resektion följt av kombinerade extern strålbehandling (RT) och temozolomid (TMZ), följt av underhållsbehandling TMZ1,2,3. Sedan införandet av TMZ nu mer än 15 år sedan, har ingen betydande förbättringar gjorts i behandlingen av dessa tumörer. Genomförandet av nya terapeutiska strategier är brådskande därför men bör undersökas först i små djur cancer behandling modeller (mestadels möss och råttor). Tumör-bärande gnagare modeller kan användas för att undersöka effekten av nya och komplexa strålning protokoll, eventuellt i kombination med andra medel för (ny) behandling, att bedöma strålning svar eller för att utreda radio-skyddande medel. En stor fördel med prekliniska strålning forskning är förmågan att arbeta under kontrollerade experimentella förhållanden med stora kohorter vilket resulterar i snabbare data avkastning på grund av den kortare livslängder av gnagare. De prekliniska fynd bör sedan översättas till en klinisk prövning på ett mycket snabbare och effektivare sätt än i nuvarande praxis4.
Små djur strålning experiment under de senaste decennierna har vanligtvis uppnåtts med fasta strålning källor5,6,7, t.ex., 137Cs och 60Co, isotoper, eller linjär acceleratorer avsedd för mänskliga kliniska, tillämpa ett enda strålfält med MV röntgen6,8,9,10,11. Dessa enheter når dock inte sub millimeter precision, vilket krävs för små djur12. Dessutom har MV röntgen egenskaper som är olämpliga för bestråla små mål, såsom en dos uppbyggnad på gränssnittet luft-vävnad i regionen entré i balken med en grad i storleksordningen djuret storlek själv4,6 ,8,9,10,11. Det senare gör det ganska utmanande att leverera en enhetlig dos till en tumör och skona kring hjärnans normala vävnaden4,8,9,10,11. Därför är det oklart i vilken utsträckning nuvarande Djurstudier är fortfarande relevanta för moderna RT praktiken12. I detta sammanhang nyligen utvecklade tredimensionella (3D) conformal små djur mikro-irradiators är lovande att överbrygga teknikklyftan mellan avancerade 3D bild-guidad RT tekniker såsom intensitet moduleras strålterapi (IMRT) eller conformal bågar används i människor och nuvarande små djur bestrålning4,13. Dessa plattformar gör användningen av en kilovoltage (kV) röntgen källa att få skarpa penumbras och undvika dos uppbyggnad. Dessa plattformar omfattar en datorstyrd scen för djur som positionering, en kV röntgen källa för imaging och strålbehandling, en roterande gantry församling att tillåta strålning leverans från olika vinklar, och ett kollimerande system att forma strålknippet 4. under 2011, en mikro-irradiator installerades vid preklinisk imaging lab av Gents universitet (figur 1). Detta system liknar moderna mänskliga strålbehandling praxis och möjliggör en mängd olika prekliniska experiment, såsom samverkan mellan strålning med andra terapier, komplexa strålning system och bild-guidad delmål boost studier.
Dosplanering på dessa mikro-irradiators är baserad på CT, vilket motsvarar mänskliga planering system14,15. För CT imaging används en on-board röntgen detektor i kombination med samma kV röntgenröret som används under behandling. CT-avbildning används eftersom det möjliggör precisionspositionering djur och ger nödvändig information för enskilda strålning dosberäkningar via segmentering. Dock på grund av låg mjukvävnad kontrasten i CT kan inte imaging, tumörer i hjärnan av små djur, såsom höggradigt gliom, enkelt avgränsas. Införlivandet av multimodalitet imaging är därför nödvändig för ett korrekt mål volym avgränsning. Jämfört med CT, ger MRI överlägsen mjukvävnad kontrast. Detta gör det mycket lättare att visualisera lesion gränser som kommer att resultera i en mycket bättre avgränsning av målvolymen, hjälper till att förbättra bestråla lesionen och undvika omgivande vävnad, som illustreras i figur 24, 16. Ytterligare en fördel är att MRI använder icke-joniserande strålning, till skillnad från CT som använder joniserande strålning. De stora nackdelarna med MRI är relativt lång anskaffningstid och höga driftskostnader. Det är viktigt att notera att Magnettomografi inte kan användas för dosberäkningar, eftersom de inte ger krävs elektronen täthet informationen, även om framsteg har gjorts på detta område, också med den senaste utvecklingen av herr-LINJÄRACCELERATORER. Som sådan, är en kombinerad CT/MRI datamängd metoden för val av planering bestrålning av malignt gliom, som innehåller både den information som krävs för inriktning (MRI-baserade volymer) och dosberäkningar (CT-baserade elektrontätheten).
För att minska klyftan mellan små djur bestrålning och klinisk rutin, måste MRI klart integreras i arbetsflödet av det mikro-irradiator, som kräver en korrekt registrering mellan MRT och CT, vilket är långtifrån trivial. I detta papper, våra protokoll för MRI-guidad 3D conformal bestrålning av F98 glioblastoma råttor diskuteras, publicerats som har nyligen17.
Även införliva CT och Mr i arbetsflödet för den mikro-irradiator är ett tydligt steg framåt i små djur bestrålning forskning, att dessa anatomiska avbildningstekniker inte alltid en fullständig definition av målvolymen. Patologiska förändringar i hjärnan på CT och Mr kännetecknas av ökad vattenhalt (ödem) och läckage av blod – hjärnbarriären eller kontrastförstärkning. Både kontrastförbättring och hyper-intensiva områden på T2-viktade MRI är dock inte alltid en korrekt bild av tumör grad.Tumörceller har upptäckts långt utanför marginalerna kontrastförbättring12. Ingen av dessa tekniker också, kan identifiera de mest aggressiva delarna inom tumören, som kan vara ansvariga för terapeutiska motstånd och tumören återkommer. Därför ytterligare information från molekylära avbildningstekniker som husdjur kan ha ett mervärde för RT rikta volym definition eftersom dessa tekniker möjliggör för att visualisera biologiska spridningsvägar i vivo12,18, 19.
År 2000 införde Ling et al. begreppet biologisk målvolymen (BTV) genom att integrera strålbehandling arbetsflödet, vilket leder till vad de kallade flerdimensionella konform strålbehandling20anatomiska och funktionella imaging. Detta skapar möjligheten att förbättra dos inriktning genom att leverera en icke-uniform dos till en målregion med till exempel PET-bilder. Mest använda PET tracer för tumör staging och för att övervaka behandlingen svar är fluor-18 (18F) märkt fluorodeoxyglucose (FDG), som visualiserar glukos metabolism21. I huvud och hals cancer, har tidigare studier visat att användning av 18F-FDG PET ledde till en bättre uppskattning av den faktiska tumör volymen, som definieras av patologiska exemplaren, jämfört med CT och Mr22. I primära hjärnan har tumörer, där FDG inte är användbara på grund av mycket stark bakgrund signalen från den normala hjärnan, aminosyror, såsom 11C-metionin och mer nyligen 18F-fluoroetthyltyrosine (FET), undersökts för GTV avgränsning med ofta markanta skillnader mellan aminosyror PET och MRI-baserade GTVs23. Dock har ingen prospektiv prövning undersöka innebörden av detta konstaterande inte utförts ännu. I denna studie valde vi den aminosyra tracer 18F-FET och hypoxi tracer 18F-fluoroazomycin-arabinoside (18F-FAZA). 18 F-FET och 18F-FAZA valdes eftersom ett ökat upptag av aminosyror är starkt korrelerad med den spridning i GB tumörer, medan upptag av en hypoxi PET-tracer är korrelerad med resistens mot (cellgifter) strålbehandling18 , 23. sub volym öka med hjälp av mikro-irradiator optimerades genom att ge en extra stråldos till en PET-definierad del av F98 GB tumören hos råttor.
Protocol
Representative Results
Discussion
För att uppnå korrekt bestrålning av glioblastoma tumör målet i råtthjärna, var mikro-irradiator’s ombord CT vägledning inte tillräcklig. Hjärntumörer är knappt synlig på grund av otillräcklig mjukvävnad kontrast, även om kontrastförbättring skulle användas. Som sådan, måste MRI inkluderas för att tillåta mer exakt bestrålning. Med en sekventiell herr förvärv på ett 7 T-system och en datortomografen på de micro-irradiator vi kunde rikta dosen till kontrast förbättrar tumörvävnad i hjärnan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Stichting Luka Hemelaere och Soroptimist International för att stödja detta arbete.
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).
