İntrakraniyal Enjeksiyon ve Manyetik Rezonans Görüntüleme Ile Beyin Metastazlarının Modellenmesi
Summary
İntrakraniyal beyin metastazı modellemesi, tümör boyutunun izlenememe ve tedaviye tam ve zamanında yanıt verilememesi ile karmaşıktır. Sunulan metodoloji çiftler manyetik rezonans görüntüleme analizi ile intrakranial tümör enjeksiyonu, kombine edildiğinde, hassas ve tutarlı enjeksiyonlar, gelişmiş hayvan izleme ve doğru tümör hacmi ölçümleri yetiştirir.
Abstract
Kanserin metastatik yayılımı hastalığın ilerlemesinin talihsiz bir sonucudur, agresif kanser alt tipleri, ve/veya geç tanı. Beyin metastazları özellikle yıkıcı, tedavisi zor, ve kötü bir prognoz vermek. Amerika Birleşik Devletleri’nde beyin metastazlarının kesin insidansı tahmin etmek zor olsa da, ekstrakraniyal tedaviler kanser tedavisinde daha etkili olmaya devam olarak artması muhtemeldir. Bu nedenle, bu sitede metastaz tedavisinde yeni terapötik yaklaşımlar belirlemek ve geliştirmek gereklidir. Bu amaçla, kanser hücrelerinin intrakraniyal enjeksiyon hangi model beyin metastazı için iyi kurulmuş bir yöntem haline gelmiştir. Daha önce, tümör büyümesini doğrudan ölçememe bu modele teknik bir engel olmuştur; ancak, manyetik rezonans görüntüleme (MRG) gibi küçük hayvan görüntüleme yöntemlerinin kullanılabilirliğinin ve kalitesinin artması, deneysel dönemde tümör büyümesini zaman içinde izleme ve beyindeki değişiklikleri çıkarabilme yeteneğini büyük ölçüde geliştirmektedir. Burada minofimetümörü tümör hücrelerinin immünoyitif farelere intrakranial enjeksiyonu ve ardından MRG ile gösterildiği gösterilmiştir. Sunulan enjeksiyon yaklaşımı, hassasiyeti artırmak ve teknik hatayı azaltmak için dijital olarak kontrol edilen, otomatik matkap ve iğne enjeksiyonu ile izofluran anestezi ve stereotaktik kurulum kullanır. MRG Ohio State Üniversitesi James Kapsamlı Kanser Merkezi Küçük Hayvan Görüntüleme Paylaşılan Kaynak bir 9.4 Tesla aracı kullanılarak zaman içinde ölçülür. Tümör hacim ölçümleri ImageJ kullanımı ile her zaman noktasında gösterilmiştir. Genel olarak, Bu intrakranial enjeksiyon yaklaşımı hassas enjeksiyon için izin verir, günlük izleme, ve doğru tümör hacmi ölçümleri, hangi büyük ölçüde beyin metastaz sürücüleri üzerinde yeni hipotezler test etmek için bu model sisteminin yarar geliştirmek kombine.
Introduction
Beyin metastazları erişkin primer merkezi sinir sistemitümörlerinden10 kat daha yaygındır ve akciğer kanseri, meme kanseri ve melanom en yüksek insidansını gösteren hemen hemen her katı tümör tipinde bildirilmiştir2. Ne olursa olsun birincil tümör sitesi, beyin metastazı gelişimi genellikle bilişsel gerileme ile ilişkili kötü bir prognoz yol açar, kalıcı baş ağrısı, nöbetler, davranışsal ve / veya kişilik değişiklikleri1,3,4,5. Meme kanseri açısından, hastalığın önlenmesi ve tedavisinde birçok ilerleme olmuştur. Ancak, meme kanseri tanısı kadınların% 30 metastaz geliştirmek için devam edecek, ve evre IV hastalığı olanların, yaklaşık% 7 (SEER 2010-2013) beyin metastazı var6,7. Beyin metastazı için mevcut tedavi seçenekleri cerrahi rezeksiyon, stereotaktik radyocerrahi ve / veya tüm beyin radyoterapisi içerir. Ancak, bu agresif tedavi ile bile, bu hastalar için ortanca sağkalım kısa bir 8-11 ay7,8,9. Bu acımasız istatistikler, yeni, etkili tedavi stratejilerinin tanımlanması ve uygulanması gereğini kuvvetle desteklemektedir. Böylece, beyne metastaz tüm kanserler olduğu gibi, düzgün laboratuvarda meme kanseri ilişkili beyin metastazı modeli esastır (BCBM) alanında önemli gelişmeler sağlamak için.
Bugüne kadar, araştırmacılar beyne metastaz mekanizmaları çalışmak için çeşitli metodolojiler kullandık, her biri farklı avantajları ve sınırlamalarıile 10,11. Kuyruk damarı ve intrakardiyak enjeksiyon gibi deneysel metastaz yöntemleri tümör hücrelerini vücuda yaymakta ve enjekte edilen hücrelere bağlı olarak diğer metastatik bölgelerde büyük tümör yüküne neden olabilir. Bu sonuçlar daha sonra özellikle beyne metastaz çalışıyorsanız kafa karıştırıcı. İntrakarotid arter enjeksiyon yöntemi özellikle tümör hücrelerinin beyin tohumlama hedefleyen olarak avantajlı ama teknik olarak gerçekleştirmek zor olabilir gibi sınırlıdır. Ortotopik primer tümör rezeksiyonu genellikle tüm metastatik kaskad recapitulates olarak metastaz en klinik olarak ilgili modeli olarak kabul edilir. Ancak bu yaklaşım, lenf düğümü, akciğer ve karaciğer gibi diğer metastatik bölgelere kıyasla beyin metastazı oranlarının önemli ölçüde daha düşük olması için spontan metastaz için uzun süreli bekleme sürelerini içerir. Genellikle, hayvanlar beyin metastazı gelişiminden önce bu diğer metastatik sitelerde tümör yükü nedeniyle çalışmalardan çıkarılmalıdır. Beyin tropik hücre hatları içeren diğer yöntemler beyne metastaz etkilidir; ancak, bu modeller geliştirmek için zaman almak ve genellikle yayılma ile tropizm kaybetmek sınırlıdır. Bu sınırlamalar göz önüne alındığında, araştırmacılar,rutin beyin11,12,13,,14 değişen metodolojileri 15 ,16,16,17,18,19kanser metastazı modeli için intrakranial enjeksiyon yöntemi ni kullandılar. Bu yaklaşımın da benzer şekilde sınırlamaları olduğu kabul edilmektedir, en önemlisi primer tümörün intravazasyonu, kan beyin bariyerinden penetrasyon ve beyin içinde kurulması dahil olmak üzere erken metastatik adımların araştırılmasına izin vermemektedir. Ancak, araştırmacıların test etmek için izin yok (1) hangi tümör türetilmiş faktörler beyin içinde büyüme aracılık (örneğin, tümör hücrelerinde bir onkojenik faktörün genetik manipülasyon), (2) metastatik mikroortamda değişiklikler bu sitede kanser büyümesini nasıl alter (örneğin, değişmiş stromal bileşenleri ile transgenik fareler arasında karşılaştırma) ve (3) kurulan lezyonların büyümesi üzerinde yeni terapötik stratejilerin etkinliği.
İntrakraniyal enjeksiyon modelinin potansiyel faydası göz önüne alındığında, enjeksiyon sırasında teknik hatayı azaltmak ve zaman içinde tümör büyümesini tam olarak izlemek kesinlikle gereklidir. Burada açıklanan yöntem, inhale gaz anestezisinin sürekli dosing ve stereotaktik matkap ve enjeksiyon standı kullanılarak beyin parankim içine tümör hücrelerinin doğrudan implante içerir. Gaz anestezisi uygulamak, anestezinin derinliğini ve uzunluğunu hassas bir şekilde ayarlayarak hızlı ve sorunsuz bir şekilde iyileşmesini sağlar. Dijital olarak kontrol edilen, otomatik matkap ve iğne enjeksiyon sistemi enjeksiyon yeri hassasiyetini artırır ve genellikle delme ve serbest enjeksiyon yöntemlerinin neden olduğu teknik hatayı azaltır. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG) kullanımı tümör büyümesi, tümör hacmi, doku yanıtı, tümör nekrozu ve tedaviye yanıt ın izlenmesinde hassasiyeti daha da artırır. MRG yumuşak dokular için tercih edilen görüntüleme modalitesi20,21. Bu görüntüleme tekniği iyonlaştırıcı radyasyon kullanmaz ve özellikle çalışma sırasında çoklu görüntüleme seansları için Bilgisayarlı Tomografi (BT) tercih edilir. MRG mevcut yumuşak doku kontrastı sonra BT veya ultrason görüntüleme (USG) çok daha büyük bir aralığı vardır ve daha ayrıntılı olarak anatomi sunar. Daha duyarlı ve beyin içinde anormallikler için özgüdür. MRG, 2D USG veya 2D optik görüntülemede olduğu gibi konuyu fiziksel olarak hareket ettirmek zorunda kalmadan herhangi bir görüntüleme düzleminde yapılabilir. Kafatasının diğer görüntüleme yöntemlerinde olduğu gibi MRSinyalini zayıflatmadığını belirtmek önemlidir. MRG, BT veya USG’deki kemik ten artefaktlarla gizlenebilecek yapıların değerlendirilmesine olanak tanır. Ek bir avantajı mri için birçok kontrast ajanlar olmasıdır, hangi lezyon algılama sınırını artırır, nispeten düşük toksisite veya yan etkileri ile. Daha da önemlisi, MRG tümör hacminin deşifre sınırlı nekropsi sırasında histolojik değerlendirme aksine gerçek zamanlı izleme sağlar. Biyolüminesans görüntüleme gibi diğer görüntüleme yöntemleri, zaman içinde erken tümör tespiti ve izlenmesi için gerçekten etkilidir; ancak bu yöntem hücre hatlarının genetik manipülasyonu (örn. luciferase/GFP etiketlemesi) gerektirir ve hacimsel ölçümlere izin vermez. MR görüntülerinin hasta takibi ve downstream hacimsel analizini yansıttığından MRG’nin nekropsi22’dehistolojik tümör boyutuyla güçlü bir şekilde ilişkili olduğu bilinmektedir. MRG taraması ile seri izleme, ortaya çıkması halinde nörolojik bozuklukların klinik takibini de arttırır.
Genel olarak, seri MRG takip stereotaktik intrakranial tümör enjeksiyonu sunulan yöntem bize kanserde beyin metastaz mekanizmaları çalışma için güvenilir, öngörülebilir ve ölçülebilir sonuçlar üretmek sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
İntrakranial enjeksiyonun mrg ile seri takibin ardından kullanılması, tümör büyümesini zaman içinde tümör hacmi doğruluğu ile görselleştirme yeteneğini sağlar. Dijital görüntüleme analizinin uygulanması tümör hacmi, kanama, nekroz ve tedaviye yanıt için beyin lezyonlarının yorumlanmasına olanak sağlar.
Her yordamda olduğu gibi, başarı için izlenmesi gereken önemli adımlar vardır. İlk olarak, stereotaktik cihazların dikkatli bir şekilde kurulumu bu tekniğ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Temsili veriler Ulusal Kanser Enstitüsü (K22CA218472 to G.M.S. aracılığıyla finanse edilmiştir. Intrakranial enjeksiyonlar Ohio State Üniversitesi Kapsamlı Kanser Merkezi Hedef Doğrulama Paylaşılan Kaynak (Yönetmen – Dr Reena Shakya) yapılır ve MRI Ohio State Üniversitesi Kapsamlı Kanser Merkezi Küçük Hayvan Görüntüleme Paylaşılan Kaynak (Yönetmen – Dr Kimerly Powell) tamamlanır. Her iki ortak kaynak da OSUCCC, Ulusal Kanser Enstitüsü’nden (P30 CA016058) OSUCCC Kanser Merkezi Destek Hibesi, Ohio State Üniversitesi kolej ve bölümleri ile ortaklıklar ve kurulan geri ödeme sistemleri aracılığıyla finanse edilmektedir.
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).
