Intrakraniell hjernemetastasemodellering er komplisert av manglende evne til å overvåke tumorstørrelse og respons på behandling med presise og belysende metoder. Den presenterte metodikken par intrakraniell tumor injeksjon med magnetisk resonans imaging analyse, som når kombinert, dyrker presise og konsekvente injeksjoner, forbedret dyr overvåking, og nøyaktige tumor volum målinger.
Metastatisk spredning av kreft er en uheldig konsekvens av sykdomsprogresjon, aggressive kreftundertyper og/eller sen diagnose. Hjernemetastaser er spesielt ødeleggende, vanskelige å behandle og gir en dårlig prognose. Mens den nøyaktige forekomsten av hjernemetastaser i USA fortsatt er vanskelig å anslå, er det sannsynlig å øke etter hvert som utenomkranielle terapier fortsetter å bli mer effektive i behandling av kreft. Dermed er det nødvendig å identifisere og utvikle nye terapeutiske tilnærminger for å behandle metastase på dette stedet. For dette formål har intrakraniell injeksjon av kreftceller blitt en veletablert metode for å modellere hjernemetastase. Tidligere har manglende evne til å måle tumorvekst direkte vært en teknisk hindring for denne modellen; Men økende tilgjengelighet og kvalitet på små dyr imaging modaliteter, som magnetisk resonans imaging (MR), er i stor grad bedre evnen til å overvåke tumorvekst over tid og utlede endringer i hjernen i løpet av eksperimentell periode. Heri er intrakraniell injeksjon av murine brysttumorceller i immunkompetentmus etterfulgt av MR demonstrert. Den presenterte injeksjontilnærmingen benytter isoflurananestesi og et stereotaktisk oppsett med en digitalt kontrollert, automatisert drill- og nåleinjeksjon for å forbedre presisjonen og redusere tekniske feil. MR måles over tid ved hjelp av et 9,4 Tesla-instrument i Ohio State University James Comprehensive Cancer Center Small Animal Imaging Shared Resource. Tumorvolummålinger demonstreres på hvert tidspunkt gjennom bruk av ImageJ. Samlet sett gir denne intrakranielle injeksjonsmetoden presis injeksjon, daglig overvåking og nøyaktige tumorvolummålinger, som kombinert sterkt forbedrer nytten av dette modellsystemet for å teste nye hypoteser om driverne av hjernemetastaser.
Hjernemetastaser er 10 ganger vanligere enn voksne primære sentralnervesystemsvulster1, og har blitt rapportert i nesten alle faste tumortyper med lungekreft, brystkreft og melanom som viser høyest forekomst2. Uavhengig av det primære tumorstedet fører utviklingen av hjernemetastase til en dårlig prognose ofte forbundet med kognitiv nedgang, vedvarende hodepine, anfall, atferdsmessige og / eller personlighetsendringer1,3,4,5. Når det gjelder brystkreft, har det vært mange fremskritt i forebygging og behandling av sykdommen. Imidlertid vil 30% av kvinnene diagnostisert med brystkreft fortsette å utvikle metastaser, og av de med stadium IV sykdom, ca 7% (SEER 2010-2013) har hjernen metastase6,7. Nåværende behandlingstilbud for hjernemetastase innebærer kirurgisk reseksjon, stereotaktisk radiokirurgi og/eller hel hjerneradioterapi. Likevel, selv med denne aggressive terapien, er median overlevelse for disse pasientene en kort 8-11 måneder7,8,9. Disse dystre statistikkene støtter sterkt behovet for identifisering og implementering av nye, effektive terapeutiske strategier. Dermed, som med alle kreftformer som metastaserer til hjernen, er det viktig å modellere brystkreft assosiert hjernemetastase (BCBM) i laboratoriet for å sikre betydelige fremskritt i feltet.
Til dags dato har forskere benyttet en rekke metoder for å studere mekanismer for metastase til hjernen, hver med forskjellige fordeler ogbegrensninger 10,11. Eksperimentelle metastase metoder som hale vene og intracardiac injeksjon spre tumorceller i hele kroppen og kan resultere i enorme tumor byrde på andre metastatiske steder avhengig av cellene injisert. Disse resultatene er da forvirrende hvis spesifikt studerer metastase til hjernen. Intracarotid arterie injeksjon metoden er en fordel som det spesifikt rettet mot hjerne-seeding av tumorceller, men er begrenset som det kan være teknisk vanskelig å utføre. Ortotopisk primær tumorreseksjon regnes ofte som den mest klinisk relevante metastasemodellen, da den rekastaterer hele metastatisk kaskade. Likevel innebærer denne tilnærmingen lengre ventetider for spontan metastase å skje med dramatisk lavere forekomst av hjernemetastase sammenlignet med de andre metastatiske stedene som lymfeknuten, lungene og leveren. Ofte må dyr fjernes fra studier på grunn av tumorbyrde på disse andre metastatiske stedene før utviklingen av hjernemetastase. Andre metoder som involverer hjernenstropiske cellelinjer er effektive for metastasering til hjernen; Imidlertid er disse modellene begrenset ved at de tar tid å utvikle og ofte mister sin tropisme med forplantning. Gitt disse begrensningene, forskere har rutinemessig brukt intrakraniell injeksjon metode for å modellere kreft metastase til hjernen11,12,13,14 med varierende metoder15,16,17,18,19. Det er anerkjent at denne tilnærmingen på samme måte har begrensninger, viktigst ved at den ikke tillater undersøkelse av tidlige metastatiske skritt, inkludert intravasasjon ut av den primære svulsten, penetrering gjennom blodhjernebarrieren og etablering i hjernen. Det gjør det imidlertid mulig for forskere å teste (1) hvilke tumoravledede faktorer som medierer vekst i hjernen (f.eks. genetisk manipulering av en onkogen faktor i tumorceller), (2) hvordan endringer i det metastatiske mikromiljøet endrer kreftvekst på dette stedet (f.eks. sammenligning mellom transgene mus med endrede stromale komponenter) og (3) effektivitet av nye terapeutiske strategier på vekst av etablerte lesjoner.
Gitt den potensielle nytten av intrakraniell injeksjonsmodell, er det helt nødvendig å redusere teknisk feil under injeksjon og nøyaktig overvåke tumorvekst over tid. Metoden som er beskrevet her innebærer kontinuerlig nedånding av inhalert gassbedøvelse, og direkte implantasjon av tumorceller i hjernen parenchyma ved hjelp av en stereotaktisk drill og injeksjonsstativ. Administrering av gassbedøvelse gjør det mulig å finjustere dybden og lengden på anestesi, samt sikre en rask og jevn gjenoppretting. Et digitalt kontrollert, automatisert bore- og nåleinjeksjonssystem forbedrer presisjonen på injeksjonsstedet og reduserer tekniske feil som ofte påløper ved boring og frihåndsinjeksjonsmetoder. Bruken av magnetisk resonansavbildning (MR) øker ytterligere presisjonen i overvåking av tumorvekst, tumorvolum, vevsrespons, tumornekrose og respons på behandlingen. MR er bildemodaliteten av valget for bløtvev20,21. Denne bildeteknikken bruker ikke ironerende stråling og foretrekkes fremfor Computertomography (CT), spesielt for flere bildebehandlingsøkter i løpet av en studie. MR har mye større utvalg av tilgjengelig bløtvev kontrast deretter CT eller ultralyd imaging (USG) og presenterer anatomi i større detalj. Det er mer følsomt og spesifikt for abnormiteter i hjernen selv. MR kan utføres i et hvilket som helst bildeplan uten å fysisk flytte motivet som tilfellet er i 2D USG eller 2D optisk bildebehandling. Det er viktig å nevne at skallen ikke demper MR-signalet som i andre bildemodaliteter. MR tillater evaluering av strukturer som kan skjules av gjenstander fra bein i CT eller USG. En ekstra fordel er at det er mange kontrastmidler tilgjengelig for MR, noe som forbedrer lesjonsdeteksjonsgrensen, med relativt lav toksisitet eller bivirkninger. Viktigere, MR tillater overvåking i sanntid i motsetning til histologisk evaluering på tidspunktet for necropsy, som er begrenset i å tyde tumorvolum. Andre bildemodaliteter, som bioluminescerende bildebehandling, er faktisk effektive for tidlig tumordeteksjon og overvåking over tid; Denne metoden krever imidlertid genetisk manipulering (f.eks. luciferase/GFP-merking) av cellelinjer og tillater ikke volumetriske målinger. MR er ytterligere fordelaktig som det speiler pasientovervåking og nedstrøms volumetrisk analyse av MR-bildene er kjent for å være sterkt korrelert med histologiske tumorstørrelse ved necropsy22. Seriell overvåking med MR-screening øker også klinisk overvåking av nevrologiske funksjonsnedsettering, hvis de oppstår.
Samlet sett gjør den presenterte metoden for stereotaktisk intrakraniell tumorinjeksjon etterfulgt av seriell MR oss i stand til å produsere pålitelige, forutsigbare og målbare resultater for å studere mekanismer for hjernemetastase i kreft.
Utnyttelsen av intrakraniell injeksjon etterfulgt av seriell overvåking med MR gir den unike evnen til å visualisere tumorvekst med tumorvolumnøyaktighet over tid. Anvendelsen av digital bildeanalyse muliggjør tolkning av hjernelesjoner for tumorvolum, blødning, nekrose og respons på behandlingen.
Som med alle prosedyrer, er det viktige trinn som må følges for å lykkes. For det første er forsiktig oppsett av stereotaktiske enheter avgjørende for suksessen til denne teknikken. På gr…
The authors have nothing to disclose.
Representative data ble finansiert gjennom National Cancer Institute (K22CA218472 til G.M.S.). Intrakranielle injeksjoner utføres i The Ohio State University Comprehensive Cancer Center Target Validation Shared Resource (Director – Dr. Reena Shakya) og MR er fullført i The Ohio State University Comprehensive Cancer Center Small Animal Imaging Shared Resource (Direktør – Dr. Kimerly Powell). Begge delte ressurser finansieres gjennom OSUCCC, OSUCCC Cancer Center Support Grant fra National Cancer Institute (P30 CA016058), partnerskap med The Ohio State University høyskoler og avdelinger, og etablerte tilbakeføringssystemer.
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 |