Bir mikro-irradiator kullanarak Glioblastoma fare modeli ışınlama güdümlü evde beslenen hayvan ve MRI
Summary
Geçmişte, küçük hayvan ışınlama genellikle iyi arasındadır tümör cilt hedef yeteneği olmadan gerçekleştirildi. Sıçanlarda insan glioblastoma tedavisinde taklit etmek için hedefi oldu. Küçük hayvan ışınlama platformu kullanarak, evde beslenen hayvan tabanlı alt birim preklinik bir ortamda artırılması ile MRI destekli 3D açıkorur ışınlama gerçekleştirilen.
Abstract
On yıllardır, küçük hayvan radyasyon araştırma çoğunlukla belirli veya iyi arasındadır tümör hacmi hedeflemek için yetenek olmadan basit tek lazer teknikleri uygulayarak oldukça ham deneysel kurulumları kullanılarak gerçekleştirildi. Radyasyon teslimini sabit radyasyon kaynakları veya lineer Hızlandırıcılar megavoltage (MV) x-ışınları üreten kullanarak sağlanır. Bu cihazların küçük hayvanlar için gerekli alt milimetrelik hassasiyet elde edemiyoruz. Ayrıca, yüksek dozlarda sağlıklı çevreleyen doku kirli Çamaşırlık yanıt değerlendirmesi için teslim. Küçük hayvan çalışmaları ve insanlar arasında çeviri artırmak bir sıçan modelinde insan glioblastoma tedavisinde taklit etmek için amacımız olduğunu. Preklinik bir ortamda daha doğru bir ışınlama etkinleştirmek için son zamanlarda, hassas küçük hayvan radyasyon resim destekli araştırma platformlar geliştirilmiştir. Benzer şekilde insan planlama sistemleri, bu mikro-irradiators üzerinde planlama tedavi Bilgisayarlı Tomografi (CT) dayanmaktadır. Ancak, düşük yumuşak doku karşıtlık CT’çok zorlu hedefleri beyin gibi bazı dokularda yerelleştirmek için yapar. Bu nedenle, manyetik rezonans görüntüleme (MRG), CT kıyasla mükemmel yumuşak doku kontrast olan birleşmeyle ışınlama için hedef daha kesin bir tarif sağlayacak. Son on yıl da biyolojik görüntüleme teknikleri, Pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi radyasyon terapisi tedavi rehberlik için faiz kazandı. Evde beslenen hayvan örneğin, glikoz tüketimi, amino asit taşıma veya hipoksi, tümör mevcut görselleştirme sağlar. Tümör daha yüksek bir doz ile son derece proliferatif veya radyo dayanıklı bölümlerini hedefleme bir hayatta kalma yarar verebilir. Bu hipotez biyolojik tümör hacmi (BTV), geleneksel brüt hedef birimi (otomobil) yanı sıra, klinik hedef birimi (CTV) ve planlanan hedef birimi (PTV) giriş için açtı.
Ghent Üniversitesi preklinik görüntüleme Laboratuvarı bir mikro-irradiator, küçük hayvan evcil hayvan ve 7 T küçük bir hayvan MRG kullanılabilir. Hedefi MRI güdümlü ışınlama ve alt birim evde beslenen hayvan-güdümlü bir glioblastoma sıçan modelinde artırılması dahil oldu.
Introduction
Yüksek dereceli tümörü ile 1 yıl geçerli tedavi şekilleri rağmen medyan sağkalım erişkinlerde en yaygın ve en saldırgan kötü huylu beyin tümörü var. Standart tedavi maksimal cerrahi rezeksiyon kombine dış beam radyasyon tedavisi (RT) tarafından takip ve temozolomide (TMZ), bakım TMZ1,2,3tarafından takip içerir. Giriş TMZ beri şimdi daha çok 15 yıl önce bu tümör tedavisinde önemli hiçbir yenilik yaptık. Bu nedenle, yeni tedavi stratejileri uygulanması acil ama ilk küçük hayvan kanser terapisi modellerinde (çoğunlukla fare ve sıçanlar) araştırılmalıdır. Tümörü taşıyan kemirgen modelleri yeni ve karmaşık radyasyon protokolleri, muhtemelen diğer (yeni) tedavi ajanlarıyla, radyasyon yanıt değerlendirmek için veya radyo-koruyucu maddelerin araştırmak için kombine etkinliğini araştırmak için kullanılabilir. Preklinik radyasyon araştırma önemli bir avantajı büyük tabur hızlandırılmış veri verim kemirgenler kısa katlanacak nedeniyle sonuçlanan kullanarak kontrollü deneysel koşullarda çalışmak için yeteneğidir. Preklinik bulgular sonra içine bir klinik geçerli uygulama4daha çok daha hızlı ve daha verimli bir şekilde tercüme edilmelidir.
Son on yıl içinde küçük hayvan radyasyon deneyler genellikle sağlanmıştır edildi kullanarak sabit radyasyon kaynakları5,6,7, örneğin, 137Cs ve 60Co, izotoplar, veya doğrusal Hızlandırıcılar’ı bir tek radyasyon alan MV x-ışınları6,8,9,10,11ile uygulama insan klinik kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, bu cihazların küçük hayvanlar12için gerekli olan alt milimetrelik hassasiyet ulaşmaz. Bir doz birikmesi hava-doku arayüzüne giriş bölgesi ile bir ölçüde sırasına göre hayvan demetinin boyutu gibi kendisi4,6 Ayrıca, MV x-ışınları özellikleri küçük hedefler, irradiating için uygun olmayan var ,8,9,10,11. İkinci normal beyin doku4,8,9,10,11çevreleyen tutumlu süre bir tümör için Tekdüzen bir doz teslim etmek oldukça zor yapar. Bu nedenle, hangi ölçüde geçerli hayvan çalışmaları hala modern RT uygulama12için ilgilidir için belirsizdir. Bu bağlamda, son zamanlarda gelişmiş üç boyutlu (3D) açıkorur küçük hayvan mikro-irradiators teknolojik gelişmiş 3D görüntü güdümlü RT gibi teknikleri modülasyonlu yoğunluğu radyasyon terapisi (IMRT) arasında köprü için umut verici veya açıkorur kemerler kullanılan insanlar ve geçerli küçük hayvan ışınlama4,13. Bu platformlar yapmak bir kilovoltage (kV) x-ışını kaynağı keskin penumbras elde etmek için ve doz birikmesini önlemek için kullanımı. Bu platformlar için konumlandırma, bir kV hayvan bir bilgisayar kontrollü sahne dahil görüntüleme ve radyasyon tedavisi, çeşitli açılardan ve radyasyon ışını şekle collimating bir sistemi radyasyon teslim izin vermek için bir döngüsel gantry derleme için x-ışını kaynağı 4. 2011 yılında Ghent Üniversitesi (şekil 1) preklinik görüntüleme laboratuarında bir mikro-irradiator yüklendi. Bu sistem modern insan radyoterapi uygulamaya benzer ve preklinik deneyler, radyasyon diğer tedaviler, karmaşık radyasyon düzenleri ve alt hedef görüntü güdümlü artırma çalışmaları ile sinerji gibi çok çeşitli sağlar.
Bu mikro-irradiators üzerinde planlama tedavi insan planlama sistemleri14,15‘ e denktir CT temel alır. CT görüntüleme için yerleşik bir x-ışını dedektörü tedavi sırasında kullanılan aynı kV x-ışını tüpü ile birlikte kullanılır. Bu doğru hayvan konumlandırma için sağlar ve bireysel radyasyon doz hesaplamalar segmentasyon üzerinden için gerekli bilgileri sağlar gibi CT görüntüleme kullanılır. Ancak, düşük yumuşak doku kontrast CT nedeniyle görüntüleme, tümör gibi yüksek kaliteli tümörü, küçük hayvanların beyindeki kolayca belirlenen değil. Çoklu modalite görüntüleme ve eklenmesi bu nedenle bir doğru hedef birim tarif için gereklidir. CT için karşılaştırıldığında, MRI çok üstün yumuşak doku kontrast sağlar. Bu, çok daha iyi lezyon ışınlatayım ve doku, çevreleyen önlemek için gösterildiği gibi yardımcı hedef birimin bir çok daha iyi tarif neden olur lezyon sınırları görselleştirmek kolaylaştırır Şekil 24, 16. Ek bir avantaj MRI sigara-iyonizan radyasyon, iyonizan radyasyon kullanarak CT aksine kullanmasıdır. MRI önemli dezavantajları nispeten uzun satın alma süreleri ve yüksek operasyonel maliyetler vardır. MRI taramaları doz hesaplamalar için kullanılan çok Bay-LINACS son gelişmeler ile bu alanda ilerleme yapılıyor, ancak onlar gerekli elektron yoğunluğu bilgi vermeyin gibi unutmamak önemlidir. Bu nedenle, kombine CT/MRG veri kümesi her iki doz hesaplamalar (CT tabanlı elektron yoğunluğu) ve (MRI tabanlı birimler) hedefleme için gerekli bilgileri içeren Malign tümörü ışınlama planlama için seçim yöntemidir.
Küçük hayvan ışınlama ve klinik rutin arasındaki boşluğu azaltmak için MRG açıkça mikro-irradiator, iş akışı entegre edilebilir çok saçmadır CT ve Mr arasında doğru bir kayıt gerektiren gerekir. Bu kağıt, MRI güdümlü glioblastoma Sıçanlarda anlatılan, F98 3D açıkorur ışınlama için bizim Protokolü olduğu son zamanlarda17yayınlandı.
CT ve Mr mikro-irradiator iş akışı içinde birleştiren küçük hayvan ışınlama araştırma açık bir adım olmasına rağmen bu anatomik görüntüleme teknikleri her zaman hedef birimin tam bir tanımı izin vermez. Mr ve BT beyin patolojik değişiklikler artan su içerik (ödem) ve kan – beyin bariyerini veya kontrast geliştirme kaçağı ile karakterizedir. Ancak, kontrast geliştirme ve MRG T2 ağırlıklı hiper-yoğun alanlarda her zaman tümör ölçüde doğru bir ölçü değildir.Tümör hücreleri çok kontrast geliştirme12sınırları tespit edildi. Ayrıca, hiçbiri bu tekniklerin en agresif bölümden tedavi direnci ve tümör yineleme için sorumlu olabilir tümör içinde tanımlayabilirsiniz. Bu nedenle, biyolojik yollar vivo içinde12,18görselleştirmek için bu teknikleri etkinleştirmek için ek bilgi–dan evde beslenen hayvan bir katma değer RT için olabilir gibi moleküler görüntüleme teknikleri hedef birim tanımı, 19.
2000’de, Ling vd. anatomik ve fonksiyonel görüntüleme çok boyutlu açıkorur radyoterapi20dedikleri için önde gelen radyoterapi iş akışı içine entegre ederek biyolojik hedef birimi (BTV) kavramı kullanılmaya başlandı. Bu doz örneğin evde beslenen hayvan görüntüleri kullanarak bir hedef bölgesine üniform olmayan doz sunarak hedefleme geliştirmek için olasılık oluşturur. En yaygın evcil hayvan izleyici tümör evreleme için kullanılan. ve tedaviye yanıt fluor-18 (18F) glikoz metabolizması21görüntüler florodeoksiglikoz (FDG), etiketli izlemektir. Baş ve boyun Kanserinde önceki çalışmalar 18F-FDG PET kullanımı gerçek tümör hacim, daha iyi bir tahmin için liderliğindeki CT ve Mr22ile karşılaştırıldığında patolojik numunelerin tarafından tanımlandığı şekilde göstermiştir. Otomobil için birincil Beyin tümörleri, nerede FDG çok güçlü arka plan nedeniyle gelen sinyal normal beyin, amino asitler, 11C-metiyonin ve son zamanlarda 18F-fluoroetthyltyrosine gibi (FET) yararlı değil, soruşturma amino asit evde beslenen hayvan ve MRI tabanlı GTVs23arasında kez belirgin farklılıklar tarif. Ancak, bu bulgu anlamını araştıran prospektif dava henüz yapılmıştır. Bu çalışmada, biz amino asit izleyici 18F-FET ve hipoksi izleyici 18F-fluoroazomycin-arabinoside (18F-FAZA) seçildi. 18 Çünkü artan bir amino asit alımını kuvvetle GB tümörler, nükleer silahların yayılmasına karşı oranı ile ilişkili bir hipoksi evde beslenen hayvan-izleyici alımını direnci (kemoterapi) radyoterapi18 ile ilişkilidir, ancak F-FET ve 18F-FAZA seçildi , 23. mikro-irradiator kullanarak alt birim artırılması en iyi duruma getirilmiş Sıçanlarda F98 GB tümör evde beslenen hayvan tarafından tanımlanan bir parçası için bir ek radyasyon doz vererek.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sıçan beyin glioblastoma tümör hedef doğru ışınlama elde etmek için mikro-irradiator’ın üstünde-tahta CT rehberlik yeterli değildi. Kontrast geliştirme kullanılacak olsa bile Beyin Tümörleri yetersiz yumuşak doku kontrast nedeniyle zor görünür. Bu nedenle, MRI daha kesin ışınlama izin vermek dahil gerekiyor. 7 T sistemi ve bir CT satın alma için başardık mikro-irradiator üzerinde bir sıralı Bay edinme kullanarak beyin kontrast arttırıcı tümör dokusu doz hedef ve planlama tomografisi ku…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Stichting Luka Hemelaere ve uluslararası Soroptimist Bu eser destek için teşekkür etmek istiyorum.
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).
