頭蓋内注射と磁気共鳴画像による脳転移のモデル化
Summary
頭蓋内脳転移のモデル化は、腫瘍の大きさと治療に対する反応を正確かつタイムリーな方法で監視できないことによって複雑になる。提示された方法論は、磁気共鳴画像分析と頭蓋内腫瘍注射を組み合わせ、これを組み合わせると、正確で一貫した注射、強化された動物モニタリング、および正確な腫瘍体積測定を育成する。
Abstract
癌の転移性広がりは、疾患の進行、積極的な癌サブタイプ、および/または後期診断の不幸な結果である。脳転移は特に壊滅的で、治療が難しく、予後が悪い。米国における脳転移の正確な発生率を推定することは困難なままであるが、頭蓋外療法が癌の治療においてより効果的になり続けるにつれて増加する可能性が高い。したがって、この部位で転移を治療するための新しい治療アプローチを同定し、開発する必要がある。このことから、がん細胞の頭蓋内注射は脳転移をモデル化する確立された方法となっている。以前は、腫瘍の成長を直接測定することができないのは、このモデルの技術的障害でした。しかし、磁気共鳴画像法(MRI)などの小動物イメージングモダリティの可用性と品質の向上は、時間の経過とともに腫瘍の成長を監視し、実験期間中に脳内の変化を推測する能力を大幅に向上させます。ここで、マウス乳腺腫瘍細胞を免疫担当マウスに続いてMRIに対する頭蓋内注射が実証される。提示された注入のアプローチは精密を高め、技術的な誤りを減らすためにデジタル制御された、自動化されたドリルおよび針の注入とイオブルラン麻酔および立体的なセットアップを利用する。MRIは、オハイオ州立大学ジェームズ総合がんセンターの9.4テスラ機器を使用して時間の経過とともに測定されます。腫瘍体積測定は、ImageJを用い、各時点で実証される。全体的に、この頭蓋内注射アプローチは、正確な注射、日々のモニタリング、および正確な腫瘍体積測定を可能にし、このモデルシステムの有用性を大幅に高め、脳転移のドライバーに対する新しい仮説をテストする。
Introduction
脳転移は成人原発性中枢神経系腫瘍1に比べて10倍多く、肺癌、乳癌、および最も高い発生率を示す黒色腫を有するほぼすべての固形腫瘍型において報告されている。原発性腫瘍部位に関係なく、脳転移の発達は、認知機能の低下、持続的な頭痛、発作、行動および/または人格変化11、3、4、53,4,に関連する予後不良を招く。乳癌の面では、疾患の予防および治療において多くの進歩があった。しかし、乳がんと診断された女性の30%が転移を発症し、ステージIV疾患の患者のうち、約7%(SEER 2010-2013)が脳転移66,77を有する。脳転移の現在の治療オプションには、外科的切除、定位放射線手術および/または全脳放射線療法が含まれる。しかし、この積極的な治療をしても、これらの患者の生存期間の中央値は短い8-11ヶ月77、8、98,です。これらの厳しい統計は、新しい効果的な治療戦略の同定と実施の必要性を強く支持する。したがって、脳に転移するすべての癌と同様に、実験室で乳癌関連脳転移(BCBM)を適切にモデル化し、現場での大きな進歩を確実にすることが不可欠である。
これまで研究者は、脳への転移のメカニズムを研究するために様々な方法論を利用してきましたが、それぞれが明確な利点と限界を持っています 10,,11.尾静脈や心臓内注射などの実験的転移方法は、腫瘍細胞を全身に広げ、注射された細胞に応じて他の転移部位で巨大な腫瘍負担を引き起こす可能性がある。これらの結果は、特に脳への転移を研究する場合に交和しています.この頸動脈内注射法は、腫瘍細胞の脳播種を特異的に標的とするため有利であるが、技術的に行いにくくな限られている。正交性原発性腫瘍切除は、転移カスケード全体を再現するため、しばしば最も臨床的に関連する転移モデルと考えられる。しかし、このアプローチは、リンパ節、肺および肝臓などの他の転移部位と比較して、脳転移の劇的に低い率で発生する自発的転移のための長期の待ち時間を伴う。多くの場合、動物は、脳転移の発症前に、これらの他の転移部位における腫瘍の負担のために研究から除去されなければならない。脳の熱帯細胞株を含む他の方法は、脳への転移に有効です;しかし、これらのモデルは、開発に時間がかかり、伝播によってトロピズムを失うことが多いという限られています。これらの制限を考えると、研究者は頭蓋内注射法を日常的に使用して、脳11、12、13、1412,13,14の様々な方法論を持つ脳への癌転移をモデル化11し、15、16、17、18、19,17,18,19を用いた。15,このアプローチにも同様に限界があり、最も重要なのは、原発性腫瘍からの内侵入、血液脳関門の貫通、脳内の確立を含む早期転移ステップの調査を可能にしないことが認められている。しかし、研究者は(1)脳内の腫瘍由来因子がどのような腫瘍由来因子を媒介するのか(例えば、腫瘍細胞の発癌因子の遺伝子操作)、(2)転移性微小環境の変化が本サイトでの癌増殖をどのように変化させるか(例えば、変化した間質成分を有するトランスジェニックマウスの比較)および(3)確立された病変の成長に関する新しい治療戦略の有効性をテストすることを可能にする。
頭蓋内注射モデルの潜在的な有用性を考えると、注射中の技術的な誤差を減らし、時間の経過とともに腫瘍の成長を正確に監視することが絶対に必要です。本明細書に記載される方法は、吸入ガス麻酔の連続的な投与、および立体性ドリルおよび注射スタンドを用いた脳のパレンチマへの腫瘍細胞の直接注入を含む。ガス麻酔を管理することで、麻酔の深さと長さを微調整し、迅速かつスムーズな回復を保証することができます。デジタル制御された自動ドリルおよび針注入システムは注入現場の精密を高め、穴あけおよび自由手注入方法によってしばしば生じる技術的な誤りを減らす。磁気共鳴画像法(MRI)の使用は、腫瘍の成長、腫瘍の体積、組織応答、腫瘍壊死、および治療への応答を監視する精度をさらに高める。MRIは、軟組織20,21,21に対する選択のイメージングモダリティである。このイメージング技術は電離放射線を使用せず、特に研究の過程で複数のイメージングセッションに対してコンピュータ断層撮影(CT)よりも好まれます。MRIは、CTまたは超音波画像(USG)の利用可能な軟部組織コントラストのはるかに大きな範囲を有し、より詳細に解剖学を提示する。それは脳自体の中の異常のためにより敏感で特異的です。MRIは、2D USGまたは2D光学画像処理の場合と同様に被検体を物理的に移動させることなく、任意の撮像平面で行うことができる。頭蓋骨は、他のイメージングモダリティのようにMRI信号を減衰しないことに言及することが重要です。MRIはCTまたはUSGの骨からのアーチファクトによって隠されるかもしれない構造の評価を可能にする。さらに、MRIには多くの造影剤が利用できることがあり、これは病変検出限界を高め、毒性や副作用が比較的低い。重要なことに、MRIは、腫瘍量の解読に制限されている壊死時の組織学的評価とは異なり、リアルタイムでモニタリングを可能にする。生物発光イメージングなどの他のイメージングモダリティは、早期の腫瘍の検出と時間の経過と共にのモニタリングに実際に有効です。しかし、この方法では細胞株の遺伝子操作(例えばルシファーゼ/GFPタグ付け)が必要であり、体積測定はできません。MRIは、MR画像の患者モニタリングおよび下流容積分析を反映しているので、さらに有利であり、壊死22における組織学的腫瘍サイズと強く相関することが知られている。MRIスクリーニングによる連続モニタリングはまた、神経学的障害の臨床モニタリングを増加させ、それらが起こった場合。
全体的に、頭蓋内腫瘍の立体的な注入の方法を示し、続いて連続MRIを行うことで、信頼性が高く、予測可能で測定可能な結果を生み出し、癌における脳転移のメカニズムを研究することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
MRIによる連続モニタリングによる頭蓋内注射の利用は、時間の経過に伴う腫瘍の体積精度で腫瘍の成長を可視化するユニークな能力を提供する。デジタル画像分析の適用は腫瘍の容積、出血、壊死および処置への応答のための脳の病変の解釈を可能にする。
他の手順と同様に、成功するために実行する必要がある重要な手順があります。まず、この技術の成功には、立?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
代表的なデータは、国立がん研究所(K22CA218472からG.M.S.)を通じて資金提供されました。頭蓋内注射は、オハイオ州立大学総合がんセンターターゲット検証共有リソース(ディレクター – Reena Shakya)で行われ、MRIはオハイオ州立大学総合がんセンター小動物イメージング共有リソース(ディレクター – キマーリー・パウエル博士)で完了しています。両方の共有リソースは、OSUCCC、国立がん研究所(P30 CA016058)のOSUCCCがんセンターサポートグラント、オハイオ州立大学の大学や部門とのパートナーシップ、および確立されたチャージバックシステムを通じて資金提供されています。
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
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