מידול גרורות מוח באמצעות הזרקה תוך גולגולתית והדמיית תהודה מגנטית
Summary
מידול גרורות מוח תוך גולגולתי מסובך על ידי חוסר יכולת לפקח על גודל הגידול ותגובה לטיפול בשיטות מדויקות ובזמן. המתודולוגיה שהוצגה זוגות הזרקת גידול תוך גולגולתי עם ניתוח הדמיית תהודה מגנטית, אשר בשילוב, מטפח זריקות מדויקות ועקביות, ניטור משופר של בעלי חיים, ומדידות מדויקות של נפח הגידול.
Abstract
התפשטות גרורתית של סרטן היא תוצאה מצערת של התקדמות המחלה, תת סוגים אגרסיביים של סרטן, ו / או אבחון מאוחר. גרורות מוח הן הרסניות במיוחד, קשה לטיפול, ולעצות פרוגנוזה גרועה. בעוד השכיחות המדויקת של גרורות במוח בארצות הברית נשאר קשה להעריך, זה צפוי לגדול כמו טיפולים מחוץ לגולגולת ממשיכים להיות יעילים יותר בטיפול בסרטן. לכן, יש צורך לזהות ולפתח גישות טיפוליות חדשניות לטיפול ב גרורות באתר זה. כתוצאה מכך, הזרקה תוך גולגולתית של תאים סרטניים הפכה לשיטה מבוססת היטב שבה מודל גרורות במוח. בעבר, חוסר היכולת למדוד ישירות גידול צמיחה כבר מכשול טכני למודל זה; עם זאת, הגדלת הזמינות ואיכות של מודאליות הדמיה בעלי חיים קטנים, כגון הדמיית תהודה מגנטית (MRI), משפרים במידה רבה את היכולת לפקח על גידול צמיחה לאורך זמן להסיק שינויים בתוך המוח במהלך תקופת הניסוי. בזאת, הזרקה תוך גולגולתית של תאי גידול ממין ממין לתוך עכברים חיסוניים ואחריו MRI מדגים. גישת ההזרקה המוצגת משתמשת בהרדמה isoflurane והתקנה סטריאוטיפית עם מבוקר דיגיטלית, הזרקת מקדחה ומחט אוטומטית כדי לשפר את הדיוק, ולהפחית שגיאה טכנית. MRI נמדד לאורך זמן באמצעות מכשיר טסלה 9.4 באוניברסיטת אוהיו מדינת ג’יימס מקיף סרטן מרכז הדמיה בעלי חיים קטנים משאב משותף. מדידות נפח הגידול מדגימים בכל נקודת זמן באמצעות ImageJ. בסך הכל, גישה זו הזרקה תוך גולגולתית מאפשרת הזרקה מדויקת, ניטור היום-יומי, ומדידות מדויקות של נפח הגידול, אשר בשילוב לשפר מאוד את השירות של מערכת מודל זו כדי לבדוק השערות רומן על הנהגים של גרורות במוח.
Introduction
גרורות המוח נפוצות פי 10 מאשר גידולים במערכת העצבים המרכזיתלמבוגרים 1, ודווחו כמעט בכל סוג גידול מוצק עם סרטן ריאות, סרטן השד, מלנומה המציגה את השכיחות הגבוההביותר 2. ללא קשר לאתר הגידול העיקרי, התפתחות גרורות המוח מוביל פרוגנוזה עניה הקשורים לעתים קרובות עם ירידה קוגניטיבית, כאבי ראש מתמידים, התקפים, התנהגותי ו / אושינויי אישיות 1,,3,,4,,5. במונחים של סרטן השד, היו התקדמות רבות במניעה וטיפול במחלה. עם זאת, 30% מהנשים שאובחנו עם סרטן השד ימשיך לפתח גרורות, ואלה עם מחלת שלב IV, כ 7% (SEER 2010-2013) יש גרורות מוח6,,7. אפשרויות הטיפול הנוכחיות עבור גרורות במוח כרוכות בניתוח כירורגי, רדיוכירורגיה סטריאוקטית ו/או הקרנות מוח שלמות. עם זאת, גם עם טיפול אגרסיבי זה, ההישרדות החציוני עבור חולים אלה הוא קצר 8-11 חודשים7,8,9. נתונים עגומים אלה תומכים מאוד בצורך בזיהוי ויישום של אסטרטגיות טיפוליות חדשניות ויעילות. לכן, כמו עם כל סוגי הסרטן גרורות למוח, זה חיוני כדי מודל כראוי סרטן השד הקשורים גרורות המוח (BCBM) במעבדה כדי להבטיח התקדמות משמעותית בתחום.
עד כה, החוקרים השתמשו במגוון מתודולוגיות כדי ללמוד מנגנונים של גרורות למוח, כל אחד עם יתרונות ומגבלותברורות 10,11. שיטות גרורות ניסיוניות כגון ורון זנב והזרקת תוך לב להפיץ תאים סרטניים בכל הגוף, יכול לגרום לנטל גידול עצום באתרים גרורתיים אחרים בהתאם לתאים מוזרקים. תוצאות אלה הן אז מבלבל אם במיוחד ללמוד גרורות למוח. שיטת הזרקת עורק intracarotid הוא יתרון כפי שהוא במיוחד מטרות הזרעת המוח של תאים סרטניים, אבל מוגבל כפי שהוא יכול להיות קשה מבחינה טכנית לבצע. פירוק הגידול הראשי אורתוטופי נחשב לעתים קרובות המודל הרלוונטי ביותר מבחינה קלינית של גרורות כפי שהוא מסכם את כל מפל גרורתי. עם זאת, גישה זו כרוכה תקופות המתנה ממושכות גרורות ספונטניות להתרחש עם שיעור נמוך באופן דרמטי של גרורות במוח בהשוואה לאתרים גרורתיים אחרים כגון בלוטת הלימפה, הריאה והכבד. לעתים קרובות, בעלי חיים יש להסיר מחקרים בשל נטל הגידול באתרים גרורתיים אחרים אלה לפני התפתחות גרורות המוח. שיטות אחרות המערבות קווי תא טרופי במוח יעילים גרורות למוח; עם זאת, מודלים אלה מוגבלים בכך שהם לוקחים את הזמן לפתח ולעתים קרובות לאבד את הטרופיזם שלהם עם התפשטות. בהתחשב במגבלות אלה, החוקרים השתמשו באופן שגרתי בשיטת הזרקה תוך גולגולתית כדי מודלגרורות סרטן למוח 11,12,13,14 עם מתודולוגיות שונות15,16,17,18,19. הוא הודה כי גישה זו יש מגבלות באופן דומה, והכי חשוב בכך שהוא אינו מאפשר חקירה של צעדים גרורתיים מוקדמים כולל תוך תוך תוך תוך תוך תחקור מתוך הגידול העיקרי, חודרה דרך מחסום המוח בדם, והקמת בתוך המוח. עם זאת, זה מאפשר לחוקרים לבדוק (1) מה הגידול נגזר גורמים לתווך צמיחה בתוך המוח (למשל, מניפולציה גנטית של גורם oncogenic בתאים סרטניים), (2) איך שינויים microenvironment גרורתי לשנות את הצמיחה סרטן באתר זה (למשל, השוואה בין עכברים טרנסגניים עם רכיבים סטרומה שונה) ו (3) יעילות של אסטרטגיות טיפוליות חדשניות על צמיחה של lesions הוקמה.
בהתחשב בכלי השירות הפוטנציאלי של מודל הזרקה תוך גולגולתית, זה בהחלט הכרחי כדי להפחית את השגיאה הטכנית במהלך ההזרקה ולפקח במדויק על צמיחת הגידול לאורך זמן. השיטה המתוארת בזאת כרוכה מינון מתמשך של הרדמת גז בשאיפה, השתלה ישירה של תאים סרטניים לתוך parenchyma המוח באמצעות מקדחה סטריאוטיפית ועמדה הזרקה. מתן הרדמה בגז מאפשר כוונון עדין של עומק ואורך ההרדמה, כמו גם הבטחת התאוששות מהירה וחלקה. מערכת הזרקת מקדחה ומחטים מבוקרת דיגיטלית משפרת את דיוק אתר ההזרקה ומפחיתה שגיאה טכנית שנגרמה לעתים קרובות על ידי קידוח ושיטות הזרקה ביד חופשית. השימוש בהדמיית תהודה מגנטית (MRI) מגביר עוד יותר את הדיוק בניטור גידול, נפח הגידול, תגובת רקמות, נמק גידול, ותגובה לטיפול. MRI הוא מודאליות הדמיה של בחירה עבור רקמותרכות 20,,21. טכניקת הדמיה זו אינה משתמשת בקרינה מיוננת ומועדפת על פני טומוגרפיה ממוחשבת (CT), במיוחד עבור הפעלות הדמיה מרובות במהלך המחקר. MRI יש מגוון גדול הרבה יותר של ניגודיות רקמות רכות זמין אז CT או הדמיית אולטרסאונד (USG) ומציג אנטומיה בפירוט רב יותר. זה יותר רגיש וספציפי לחריגות בתוך המוח עצמו. MRI יכול להתבצע בכל מטוס הדמיה מבלי להזיז פיזית את הנושא כפי שהוא במקרה 2D USG או הדמיה אופטית 2D. חשוב לציין כי הגולגולת אינה להחכיר את אות ה-MRI כמו בהדמיות אחרות. MRI מאפשר הערכה של מבנים שעשויים להיות מוסתרים על ידי חפצים מעצם CT או USG. יתרון נוסף הוא כי ישנם סוכני ניגוד רבים זמינים עבור MRI, אשר משפר את מגבלת זיהוי נגע, עם רעילות נמוכה יחסית או תופעות לוואי. חשוב לציין, MRI מאפשר ניטור בזמן אמת בניגוד להערכה היסטולוגית בזמן necropsy, אשר מוגבל בפענוח נפח הגידול. תוחם הדמיה אחרות, כגון הדמיה ביולומים, הם אכן יעילים לגילוי מוקדם של גידול וניטור לאורך זמן; עם זאת, שיטה זו דורשת מניפולציה גנטית (למשל, תיוג luciferase/GFP) של קווי תא ואינה מאפשרת מדידות נפחיות. MRI הוא יתרון נוסף כפי שהוא משקף ניטור המטופל וניתוח נפח במורד הזרם של תמונות MR ידוע להיות מאוד בקורלציה לגודל הגידול ההסטולוגי ב necropsy22. ניטור סדרתי עם הקרנת MRI גם מגביר את הניטור הקליני של ליקויים נוירולוגיים, אם הם מתעוררים.
בסך הכל, השיטה המוצגת של הזרקת גידול תוך גולגולתי סטריאוטיפי ואחריו MRI סדרתי מאפשר לנו לייצר אמין, צפוי, ותוצאות מדידות כדי ללמוד מנגנונים של גרורות במוח בסרטן.
Protocol
Representative Results
Discussion
הניצול של הזרקה תוך גולגולתית ואחריו ניטור סדרתי עם MRI מספק את היכולת הייחודית לדמיין גידול צמיחה עם דיוק נפח הגידול לאורך זמן. היישום של ניתוח הדמיה דיגיטלית מאפשר פרשנות של נגעים במוח עבור נפח הגידול, דימום, נמק, ותגובה לטיפול.
כמו בכל הליך, ישנם שלבים מרכזיים שיש לבצע להצל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
נתוני הנציגות מומנו באמצעות המכון הלאומי לסרטן (K22CA218472 ל-G.M.S.). זריקות תוך גולגולתיות מבוצעות באוניברסיטת אוהיו מקיף סרטן מרכז יעד יעד אימות משאב משותף (מנהל – ד”ר רינה שאקאיה) ו MRI הושלמה באוניברסיטת אוהיו מקיף סרטן מרכז סרטן קטן הדמיה משאב משותף (מנהל – ד”ר קימרלי פאוול). שני המשאבים המשותפים ממומנים באמצעות OSUCCC, מענק התמיכה של מרכז הסרטן OSUCCC מהמכון הלאומי לסרטן (P30 CA016058), שותפויות עם המכללות והמחלקות של אוניברסיטת אוהיו, ומערכות chargeback מבוססות.
Materials
| Surgical Materials | |||
| Betadine | Purdue Products | 19-027132 | Povidone-iodine, 7.5% |
| Bone Wax | Surgical Specialities | 903 | Sterile and malleable beeswax and isopropyl palmitate |
| Buponorphine SR-Lab | ZooPharm | N/A | Long acting injectable analgesic 5 mL (0.5 mg/mL) polymetric formulation |
| Cotton tip applicators | Puritan | 25-806 10WC | Sterile long stemmed cotton tip applicators |
| Eye Ointment | Puralube | 17033-211-38 | Lubricating petrolatum and mineral oil based ophthalmic ointment |
| Handwarmers | Hothands | HH2 | Air-activated heat packs |
| Ibuprofen | Up & Up | 094-01-0245 | 100mg per 5mL in liquid suspension |
| Isoflurane | Henry Schein INC | 1182097 | Liquid anesthetic for use in anesthetic vaporizer |
| Scalpels | Integra Miltex | 4-410 | #10 disposable scalpel blade |
| Skin Glue | Vetbond | 1469SB | Skin safe wounds adhesive |
| Sterile Dressing | TIDI Products | 25-517 | Individually packed sterile drapes |
| Suture | Covidien | SP5686G | 45cm swedged 5-0 monofilament polypropylene suture |
| Stereotaxic Unit | |||
| High Speed Drill (Foredom) | Kopf | Model 1474 | Max of 38,000 RPM |
| Mouse Gas Anesthesia Head Holder | Kopf | Model 923-B | Mouth bar with teeth hole and nosecone |
| Non-Rupture Ear Bars | Kopf | Model 922 | Ear bars suitable for mouse applications |
| Stereotaxic Instrument | Kopf | Model 940 | Base plate, frame and linear scale assembly with digital readout monitor |
| Injector | |||
| Injector Needle and syringe | Hamilton | 80366 | 26 gauge needle, 51 mm needle length and 10 μL volume syringe |
| Legato 130A automated Syringe Pump | KD Scientific | P/N: 788130 | Programmable touch screen base with automated injector |
| Anesthesia Machine | |||
| SomnoSuite Low-Flow Digital Vaporizer | Kent Scientific | SS-01 | Digital anesthesia machine |
| SomnoSuite Starter Kit for mice | Kent Scientific | SOMNO-MSEKIT | Includes induction chamber, 2x anesthesia syringes, 18" tubing, plastic nosecone, 2x waste aneshesia gas canisters |
References
- Lin, X., DeAngelis, L. M. Treatment of Brain Metastases. Journal of Clinical Oncology. 33 (30), 3475-3484 (2015).
- Ostrom, Q. T., Wright, C. H., Barnholtz-Sloan, J. S. Brain metastases: epidemiology. Handbook of Clinical Neurology. 149, 27-42 (2018).
- Eichler, A. F., et al. The biology of brain metastases-translation to new therapies. Nature Reviews Clinical Oncology. 8 (6), 344-356 (2011).
- Steeg, P. S., Camphausen, K. A., Smith, Q. R. Brain metastases as preventive and therapeutic targets. Nature Reviews Cancer. 11 (5), 352-363 (2011).
- Valiente, M., et al. The Evolving Landscape of Brain Metastasis. Trends in Cancer. 4 (3), 176-196 (2018).
- Wang, H., et al. The prognosis analysis of different metastasis pattern in patients with different breast cancer subtypes: a SEER based study. Oncotarget. 8 (16), 26368-26379 (2017).
- Wang, R., et al. The Clinicopathological features and survival outcomes of patients with different metastatic sites in stage IV breast cancer. BMC Cancer. 19 (1), 1091 (2019).
- Gong, Y., Liu, Y. R., Ji, P., Hu, X., Shao, Z. M. Impact of molecular subtypes on metastatic breast cancer patients: a SEER population-based study. Scientific Reports. 7, 45411 (2017).
- Kim, Y. J., Kim, J. S., Kim, I. A. Molecular subtype predicts incidence and prognosis of brain metastasis from breast cancer in SEER database. Journal of Cancer Researchearch and Clinical Oncology. 144 (9), 1803-1816 (2018).
- Gomez-Cuadrado, L., Tracey, N., Ma, R., Qian, B., Brunton, V. G. Mouse models of metastasis: progress and prospects. Disease Models & Mechanisms. 10 (9), 1061-1074 (2017).
- Kodack, D. P., Askoxylakis, V., Ferraro, G. B., Fukumura, D., Jain, R. K. Emerging strategies for treating brain metastases from breast cancer. Cancer Cell. 27 (2), 163-175 (2015).
- Meisen, W. H., et al. Changes in BAI1 and nestin expression are prognostic indicators for survival and metastases in breast cancer and provide opportunities for dual targeted therapies. Molecular Cancer Therapeutics. 14 (1), 307-314 (2015).
- Russell, L., et al. PTEN expression by an oncolytic herpesvirus directs T-cell mediated tumor clearance. Nature Communications. 9 (1), 5006 (2018).
- Thies, K. A., et al. Stromal platelet-derived growth factor receptor-beta signaling promotes breast cancer metastasis in the brain. 암 연구학. , (2020).
- Kramp, T. R., Camphausen, K. Combination radiotherapy in an orthotopic mouse brain tumor model. Journal of Visualized Experiments. (61), e3397 (2012).
- Pierce, A. M., Keating, A. K. Creating anatomically accurate and reproducible intracranial xenografts of human brain tumors. Journal of Visualized Experiments. (91), e52017 (2014).
- Abdelwahab, M. G., Sankar, T., Preul, M. C., Scheck, A. C. Intracranial implantation with subsequent 3D in vivo bioluminescent imaging of murine gliomas. Journal of Visualized Experiments. (57), e3403 (2011).
- Donoghue, J. F., Bogler, O., Johns, T. G. A simple guide screw method for intracranial xenograft studies in mice. Journal of Visualized Experiments. (55), (2011).
- Ozawa, T., James, C. D. Establishing intracranial brain tumor xenografts with subsequent analysis of tumor growth and response to therapy using bioluminescence imaging. Journal of Visualized Experiments. (41), (2010).
- Fink, J. R., Muzi, M., Peck, M., Krohn, K. A. Multimodality Brain Tumor Imaging: MR Imaging, PET, and PET/MR Imaging. Journal of Nuclear Medicine. 56 (10), 1554-1561 (2015).
- Borges, A. R., Lopez-Larrubia, P., Marques, J. B., Cerdan, S. G. MR imaging features of high-grade gliomas in murine models: how they compare with human disease, reflect tumor biology, and play a role in preclinical trials. American Journal of Neuroradiology. 33 (1), 24-36 (2012).
- Prabhu, S. S., Broaddus, W. C., Oveissi, C., Berr, S. S., Gillies, G. T. Determination of intracranial tumor volumes in a rodent brain using magnetic resonance imaging, Evans blue, and histology: a comparative study. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 47 (2), 259-265 (2000).
- Borowsky, A. D., et al. Syngeneic mouse mammary carcinoma cell lines: two closely related cell lines with divergent metastatic behavior. Clinical & Experimental Metastasis. 22 (1), 47-59 (2005).
- Journal of Visualized Experiments. JoVE Science Education Database. Lab Animal Research. Compound Administration I. Journal of Visualized Experiments. , (2020).
- Abramoff, M. D., Magelhaes, P. J., Ram, S. J. Image Processing with ImageJ. Biophotonics International. 11, 36-42 (2004).
- Lee, D., Marcinek, D. Noninvasive in vivo small animal MRI and MRS: basic experimental procedures. Journal of Visualized Experiments. (32), (2009).
- Shah, N., et al. Investigational chemotherapy and novel pharmacokinetic mechanisms for the treatment of breast cancer brain metastases. Pharmacological Research. 132, 47-68 (2018).
