En prosedyre for levering av en kjemisk ablativ løsning til rottepattedyrets duktale tre for bildestyrt forebyggende behandling av brystkreft er beskrevet. Brystepitelceller kan målrettes med minimal skade på sikkerhetsvev gjennom kanylering direkte inn i brystvorteåpningen og intraduktal infusjon av en 70% etanolbasert ablativ løsning.
Det er fortsatt et begrenset antall primære tiltak for forebygging av brystkreft. For kvinner med høy risiko for å utvikle brystkreft er den mest effektive intervensjonen profylaktisk mastektomi. Dette er en drastisk kirurgisk prosedyre der brystepitelceller som kan gi opphav til brystkreft, fjernes helt sammen med det omkringliggende vevet. Målet med denne protokollen er å demonstrere muligheten for en minimal invasiv intraduktal prosedyre som kan bli et nytt primært inngrep for forebygging av brystkreft. Denne lokale prosedyren vil fortrinnsvis ablate brystepitelceller før de kan bli ondartede. Intraduktale metoder for å levere løsninger direkte til disse epitelceller i gnagermodeller av brystkreft er utviklet ved Michigan State University og andre steder. Rotte brystkjertelen består av et enkelt kanaltre som har en enklere og mer lineær arkitektur sammenlignet med det menneskelige brystet. Imidlertid tilbyr kjemisk induserte rottemodeller av brystkreft verdifulle verktøy for proof-of-concept-studier av nye forebyggende inngrep og skalerbarhet fra musemodeller til mennesker. Her beskrives en prosedyre for intraduktal levering av en etanolbasert ablativ løsning som inneholder tantaloksyd nanopartikler som røntgenkontrastmiddel og etylcellulose som geleringsmiddel i rottepattedyrets duktale tre. Levering av vandige reagenser (f.eks. cytotoksiske forbindelser, siRNA, AdCre) ved intraduktal injeksjon er tidligere beskrevet i muse- og rottemodeller. Denne protokollbeskrivelsen legger vekt på metodologiske endringer og trinn som gjelder unikt for å levere en ablativ løsning, formuleringshensyn for å minimere lokale og systemiske bivirkninger av den ablative løsningen, og røntgenbilder for in vivo-vurdering av duktal trefylling. Fluoroskopi og mikro-CT-teknikker gjør det mulig å bestemme suksessen til levering av ablativ løsning og omfanget av duktal trefylling takket være kompatibilitet med det tantalholdige kontrastmiddelet.
For kvinner i USA1 fortsetter brystkreft (BC) å være den mest diagnostiserte krefttypen og forårsaker flere dødsfall enn noen annen krefttype unntatt lungekreft. Prognoser for 2022 anslår at 51 400 kvinner vil bli diagnostisert med karsinom in situ og 287 850 kvinner vil bli diagnostisert med invasivt karsinom, og at 43 600 kvinner vil dø av BC1. Til tross for utbredelsen og dødeligheten forbundet med BC, er det få alternativer tilgjengelig for primærforebygging og translasjonell forskning på nye intervensjoner, da primærforebygging ikke prioriteres av føderale byråer2. Profylaktisk mastektomi er den mest effektive intervensjonen for primær forebygging. Imidlertid anbefales denne prosedyren bare for høyrisikopersoner fordi det er en stor operasjon med livsendrende konsekvenser3. Denne operasjonen innebærer fullstendig fjerning av brystepitelceller hvorfra karsinogenese utvikler seg, så vel som det normale omgivende vevet. Enkeltpersoner blir ofte frarådet å bruke denne prosedyren som deres første alternativ til primærintervensjon på grunn av den negative effekten av fysisk, psykologisk og sosialt stress. Av disse grunner velger selv noen høyrisikopersoner å ikke gjennomgå denne prosedyren og velger i stedet vaktsom venting eller lignende overvåkingsstrategier3. I tidligere publikasjon var levering av 70% etanol (EtOH) direkte inn i dukttreet av musemodeller effektiv til kjemisk ablating av brystepitelceller med begrenset skade på tilstøtende normalt vev og ved å forhindre brysttumordannelse4. EtOH brukes i flere kliniske applikasjoner som enten et ablativt middel for lokal behandling av noen kreftformer eller skleroserende middel for lokal behandling av arteriovenøs hevelse og misdannelser 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 . Den lave toksisitets- og sikkerhetsprofilen til EtOH er godt etablert, da i noen prosedyrer kan opptil 50 ml på 95% EtOH administreres per økt 5,10.
Fullstendig fjerning av brystepitelceller som BC utvikler seg fra, er den mest avgjørende komponenten i både profylaktisk mastektomi og lokal levering av en ablativ løsning. Derfor er bekreftelse på fullstendig duktal trefylling nødvendig for å garantere at den ablative løsningen har kommet i direkte kontakt med alle brystepitelceller. Å levere en løsning i dukttreet (e) og dets visualisering ved bildestyrt fluoroskopi eller duktografi er mulig gjennom kliniske prosedyrer som allerede eksisterer15,16,17. Dermed vil det være mulig å enkelt implementere og evaluere denne prosedyren i kliniske studier. Et sentralt skritt i å etablere effekten og translasjonell gjennomførbarhet av intraductal (ID) ablasjon som en ny intervensjon for primær forebygging vil være å demonstrere gjennomførbarheten av denne røntgenvisualiseringsmetoden i dyremodeller av økende størrelse og kompleksitet av deres duktale trearkitektur 4,18,19. En protokoll som skalerer opp denne ablative prosedyren fra mus20 til rottemodeller er beskrevet her. Mens mus og rotte ductal trær har en lignende lineær struktur og forgrening mønster, rotte ductal treet er proporsjonalt større og er omgitt av en mye tettere stroma. Vi har implementert en metode i laboratoriet for å injisere hver brystkjertel i en rotte over en serie ukentlige økter med en ablativ løsning som inneholder et kontrastmiddel. Øktavstand er nødvendig for å sikre at dyrene har minimale bivirkninger av EtOH (figur 1 og figur 2). Prosedyren innebærer injeksjon av den ablative løsningen direkte inn i brystvorteåpningen av en isofluranbedøvet rotte med en 33 G nål. Noen viktige forbedringer av prosedyren inkluderer bruk av utvidet antiinflammatorisk behandling, injeksjon av høyere volumer per duktalt tre enn foreslått21, og gasstette sprøyter for væske og gasser. Varigheten av behandlingen med 5 mg / kg karprofen (et NSAID) fra 48 timer før til 1 uke etter ID-injeksjoner er sammenlignbar med den antiinflammatoriske protokollen som brukes til skleroserende behandling av venøs misdannelse i klinikken. Behandlingen utføres på pasienter under systemisk anestesi etterfulgt av 2 dager med antiinflammatoriske medisiner som NSAIDs. Den betennelsesdempende behandlingen kan forlenges i noen dager til for å redusere lokal betennelse og eventuell smerte13. Som hos mus20, reduserer intraperitoneal injeksjon av en 5% sukroseoppløsning den kortsiktige effekten av alkoholforgiftning hos rotter. Rotter kan injiseres med opptil 1 ml 70 % EtOH (opptil 4 kanaler; 0,2 g/dl EtOH-innhold i blod) i en enkelt økt når de administreres med denne sukroseoppløsningen; dyr blir helt friske innen 4 timer etter ID-injeksjoner. Vi utfører sekvensielle økter for å gi nok restitusjonstid når vi injiserer mer enn 4 kjertler og/eller høyere EtOH-konsentrasjoner. Alkoholforgiftning hos kvinner vil være mye mindre sannsynlig som ID-injeksjon av alle duktale trær i begge brystene, forutsatt at 16 hovedkanaler16,17 og 2 ml per kanal22,23, med 70% EtOH vil resultere i mindre enn 0,1 g / dL EtOH-innhold i blod og kan forårsake mild svekkelse.
Røntgenbilder gjør det mulig å bestemme hvor vellykket intraduktal levering er i hver enkelt kjertel og om hele dukttreet er fylt (figur 1, figur 2, figur 3). Sanntids fluoroskopiavbildning som forberedelse til mikro-CT-skanning og / eller 3D-rekonstruksjon av DICOM-fildata kan brukes til å vurdere omfanget av løsningslevering i dukttreet og eventuell lekkasje i stroma. Bruk av fluoroskopi kan bidra til å begrense den totale stråledosen som pålegges dyret. Fluoroskopiteknikken nærmer seg nærmere den tiltenkte kliniske applikasjonen for bildeveiledning av denne ablative behandlingen. Sammenligning av FDA-godkjent jodholdig Isovue til tantaloksyd (TaOx) nanopartikler er utført for ytterligere å avgrense nytten av den ablative løsningen 4,19. Det har blitt funnet at TaOx er et overlegent mikro-CT-kontrastmiddel enn Isovue for visualisering av den første fyllingen av dukttreet hos mus 4,19. Her demonstrerer vi at TaOx er et egnet kontrastmiddel for å visualisere den første fyllingen av rottedukttreet (figur 2 og figur 3). Både i translasjonell forskning og klinisk praksis har geleringsmiddelet etylcellulose (EC) blitt tilsatt EtOH-løsningen for å minimere diffusjon fra de tiltenkte målrettede regionene 13,14,24,25,26,27,28,29. Studier har vist at tillegg av opptil 1,5 % EC til EtOH-holdige ablative oppløsninger er kompatibelt med TaOx-basert bildebehandling (figur 3). Disse samt ytterligere forbedringer til den ablative løsningen kan hjelpe til med klar oversettelse av denne bildestyrte prosedyren til klinikken.
Som vist her, ablaterer ID-levering av 70% EtOH fortrinnsvis brystepitelceller med begrenset sikkerhetsskade på den omkringliggende stroma og vaskulatur hos mus4. Lokal ablasjon av dukttreet er effektivt for å forhindre tumordannelse i musemodeller4. Her demonstrerer vi at denne ablative prosedyren kan skaleres opp til rotter.
Dette er neste skritt i veien til oversettelse av denne ablative prosedyren som en alternativ intervensjon til profylaktisk mastektomi for primær forebygging av brystkreft hos høyrisikoindivider. Tilsetning av TaOx nanopartikler som røntgenkontrastmiddel til den ablative løsningen gjør det mulig å vurdere effektiviteten av løsningen ved å forhindre tumordannelse, da det kan bestemmes om prosedyren var vellykket eller ikke ved fullstendig fylling av duktaltreet. Ved hjelp av fluoroskopi for å visualisere injisert brystkjertel speiler hva som sannsynligvis vil bli gjort i klinikken for å veilede denne ID-prosedyren. Bildeveiledning av hvor mye oppløsningen har fylt dukttreet og når infusjonen skal stoppes, vil være et viktig aspekt ved den kliniske implementeringen for å sikre maksimal fylling av hvert duktalt tre. Feilsøking og nyttige tips er listet opp i tabell 1. Effektiviteten av denne ablative prosedyren krever at den infunderte løsningen tar direkte kontakt med alle epitelceller for å maksimere frekvensen av celledreping. Reserveepitelceller i ett eller flere trær kan til slutt tjene som en kilde til BC-utvikling. De andre gruppene rapporterte ID-levering av viruspartikler (f.eks. komponenter i Cre/LoxP og/eller Cas9/CRISPR-systemer), hormoner og hormonantagonister (f.eks. prolaktin, fulvestrant), kjemoterapeutiske midler (f.eks. cisplatin), siRNA og/eller antistoffer eller andre målrettede midler hos mus 4,19,21,35,36,37,38,39,40, 41,42,43,44,45, rotter 21,33,46,47,48 og/eller kaniner 18,49,50,51,52,53 . Vellykket kanylering av opptil åtte duktale trær per bryst for lokal levering av kjemoterapi er rapportert i uavhengige kliniske studier 47,54,55. Bildeveiledning for infusjon av disse andre løsningene rettet mot tumorforebygging eller rettet mot lokal behandling vil på samme måte maksimere effektiviteten.
Skalerbarheten og forbedringen av denne prosedyren fra mus til rotte ductal tree er demonstrert her. TaOx nanopartikkel i murine 4,19 og rotte (upubliserte data) ductal tree gir høyoppløselig bildebehandling som overgår FDA-godkjente jodholdige røntgenkontrastmidler. På samme måte er vi ikke klar over andre duktale treavbildningsmetoder hos mus40,41 eller andre dyremodeller18 som kan gi sammenlignbar oppløsning til TaOx. Relevant for klinisk oversettelse er det faktum at geleringseffekten av EC i denne mellomstore rottemodellen er en muliggjørende formuleringsforbedring for å minimere skade på sikkerhetsvev. Når vi fortsetter å vurdere denne ablative ID-prosedyren for dens evne til å forhindre BC, vil vi kunne bestemme, mer presist, fra hvilke kjertler BC utvikler seg gjennom den ekstra informasjonen som tilbys ved avbildning etter ID-levering i kjemisk induserte og andre rottemodeller av BC. Disse dataene vil bestemme sikkerheten til denne prosedyren og fastslå eventuelle bekymringer eller mangler ved om delvise eller mislykkede behandlede duktale trær kan være mer tilbøyelige til å utvikle BC hos en høyrisikokvinne.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble delvis støttet av National Cancer Institute R21 CA226579 og R01 CA258314 tilskudd til LFS og av National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering R01 EB029418 stipend til EMS. Vi er takknemlige for MSU Institute for Quantitative (IQ) Health Science and Engineering Imaging Core anlegget for bruk av deres bildebehandlingssystemer og teknisk kompetanse. Vi takker Dr. Danielle Ferguson for gjennomgang av innholdet i videoen og tallene for overholdelse av dyrevelferdsretningslinjer.
AnalyzeDirect v12.0 | Caliper | n/a | For micro-CT image processing |
Carprieve, Carprofen 50 mg/mL | Allivet | 50647 | For anti-inflammatory treatment |
Ethyl cellulose | Acros Organics | 9004-57-3 | For intraductal injection |
Evans blue | Sigma | E2129-50G | For injection visualization |
Hot water bath | Toolots | Yidu_HH-S2 | For preparing carprofen cups |
MediGel Sucralose Cups | ClearH2O | 74-02-5022 | For delivery of carprofen |
Model 1750 TTL, PTFE Luer Lock Syringe, 500μL | Hamilton | 81220 | For intraductal injection |
Photoshop 2021 | Adobe | n/a | For image processing |
Quantum GX2 microCT Imaging System | Perkin Elmer | CLS149276 | For micro-CT image acquisition |
Metal Hub Needle, 33 gauge, custom (30° bevel angle, 0.4 in, point style 4) | Hamilton | 7747-01 | For intraductal injection |
Stereo Microscope SZM Series | AmScope | SM-4TPZ-144 | For intraductal injection |
Sterile blue food dye | McCormick | 930641 | For injection visualization |
Sterile phosphate buffered saline (PBS) | ThermoFisher | 14190250 | For solution preparation |
Stickers | DOT Scientific | DOTSCI-C50 | For preparing carprofen cups |
Sucrose | Calbiochem | 8550-5KG | For intraductal injection |
Syringes | Fisher | 14-826-79 | For preparing carprofen cups |
Vortex | VWR | 10153-834 | For preparing carprofen cups |
Warming pump/pad(s) | Braintree Scientific | HTP-1500 120V; AP-R 26E | For intraductal injection/preoperative preparation |