En omfattende Procedure til at evaluere<em> In vivo</em> Ydelse of Cancer nanomedicin
Summary
The poor understanding of the in vivo performance of nanomedicines stymies their clinical translation. Procedures to evaluate the in vivo behavior of cancer nanomedicines at systemic, tissue, single-cell, and subcellular levels in tumor-bearing immunocompetent mice are described here. This approach may help researchers to identify promising cancer nanomedicines for clinical translation.
Abstract
Inspireret af succesen med tidligere kræft nanomedicin i klinikken, har forskerne skabt en lang række nye formuleringer i det seneste årti. Imidlertid har kun et lille antal nanomedicin blevet godkendt til klinisk brug, mens hovedparten af nanomedicin under klinisk udvikling har produceret skuffende resultater. En væsentlig hindring for en vellykket klinisk oversættelse af nye kræft nanomedicin er manglen på en præcis forståelse af deres in vivo ydeevne. Denne artikel har en streng procedure at karakterisere in vivo opførsel nanomedicin i tumor-bærende mus ved systemisk, væv, encellede, og subcellulære niveauer via integration af positronemissionstomografi-computertomografi (PET-CT), radioaktivitet kvantificeringsmetoder , flowcytometri, og fluorescensmikroskopi. Ved anvendelse af denne fremgangsmåde, kan forskerne præcist evaluere nye nanoskala formuleringer i relevante musemodeller for tydningr. Disse protokoller kan have evnen til at identificere de mest lovende kræft nanomedicin med høj translationel potentiale eller for at hjælpe med optimering af kræft nanomedicin til fremtidig oversættelse.
Introduction
Nanomedicin er ved at flytte paradigme kræftbehandlingen udvikling 1. Inspireret af den enorme kliniske betydning af tidligere cancer nanomedicin såsom liposom- og albumin-baserede nanotherapies 2, 3, har mange hidtil ukendte formuleringer er fremstillet i det seneste årti. De seneste analyser af kliniske oversættelse succesen af disse kræft nanomedicin indikerer, at kun få af dem er blevet godkendt til klinisk brug 4, 5. En væsentlig hindring for den kliniske translation af nye kræft nanomedicin er deres begrænsede forbedring af det terapeutiske indeks i forhold til den direkte administration af de frie terapeutiske forbindelser 6. Som sådan nøjagtig evaluering af in vivo funktionen af nanomedicin ved systemisk, væv og cellulære niveauer i prækliniske dyremodeller er afgørende for IDENTIFy dem med optimale terapeutiske indeks for fremtidig klinisk oversættelse.
Nanomaterialer kan være radioaktivt mærket til kvantitativ karakterisering i levende dyr med positronemissionstomografi (PET) billeddannelse, som har fantastisk følsomhed og reproducerbarhed blandt alle kliniske billeddiagnostiske modaliteter 7. For eksempel, 89 Zr-mærket lang cirkulerende nanomedicin er blevet karakteriseret i musemodeller for cancer 8, 9, 10, såvel som i andre sygdomsmodeller 11. Desuden kan blod halveringstid og biodistribution af nanomedicin blive evalueret i stort omfang ved hjælp af ex vivo radioaktivitetsmålinger i individuelle væv 8. Derfor radiomærkning giver mulighed for kvantitativ vurdering af nanomedicin ved systemiske og væv niveauer.
Vigtigere, radiolabeled nanomedicin generelt ikke kan analyseres på enkelt-celle eller subcellulære niveauer på grund af den begrænsede rumlige opløsning af det radioaktive signal. Derfor fluorescerende mærkning viser sig at være en komplementær modalitet til evaluering af nanopartikler med optiske billedteknik såsom flowcytometri og fluorescensmikroskopi 12. Til dette formål kan nanopartikler mærket med radioisotoper og fluorescerende tags kvantitativt vurderet in vivo ved nukleær billeddannelse og ex vivo ved radioaktivitetstælling, og de kan også grundigt karakteriseret på celleniveau ved optisk billeddannelse.
Vi har tidligere udviklet modulære procedurer til at optage radioaktive og fluorescerende mærker i forskellige nanopartikler, herunder high-density lipoprotein (HDL) 11, liposomer 9, 10, polymere nanopartikler, antistoffragmenter, og nanoemulsions 10, 13. Disse mærkede nanopartikler har tilladt for kvantitativ karakterisering i relevante dyremodeller på forskellige niveauer, der guidede optimeringen af disse nanomaterialer for deres specifikke applikationer. I den aktuelle undersøgelse, er målet at anvende liposomale nanopartikler-den mest etablerede nanomedicin platformen 14 -som et eksempel for at demonstrere omfattende procedurer til at generere en dual-mærket nanopartikel og til grundigt at karakterisere det i en klassisk syngen melanom B16-F10 musemodel 15 . Ud fra resultaterne, er vi overbeviste om denne nanopartikel karakterisering tilgang kan tilpasses til at vurdere andre kræft nanomedicin i relevante musemodeller.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin i protokollen:
Den høje kvalitet af dobbeltmærkede liposomer er nøglen til at producere konsistente resultater over en lang periode. Gratis fluorescerende farvestoffer eller 89 Zr ioner kan generere helt forskellige mønstre for målretning og skal fjernes fuldstændigt under oprensningstrin. Desuden, hvis immunsystemet signifikant påvirker eksperimentel cancer nanomedicin ydeevne bør anvendelsen af immunkompetente musemodeller være foretrukket, såsom B16-F…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Drs. Helene Salmon and Miriam Merad from Icahn School of Medicine at Mount Sinai for providing the B16-F10-YFP cells and for their expert advice on melanoma mouse models. The authors further thank the Animal Imaging Core Facility, the Radiochemistry and Molecular Imaging Probes Core Facility, and the Molecular Cytology Core Facility at Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) for their support. This work was supported by National Institutes of Health grants NIH 1 R01 HL125703 (W.J.M.M.), R01CA155432 (W.J.M.M.), K25 EB016673 (T.R.) and P30 CA008748 (MSK Center Grant). The authors also thank the Center for Molecular Imaging and Nanotechnology (CMINT) at MSK for their financial support (T.R.).
Materials
| DPPC | Avantilipids | 850355 | |
| Cholesterol | Sigma-Aldrich | C8667 | |
| DSPE-PEG2000 | Avantilipids | 880120P | |
| DSPE-DFO | Home made | 110634 | Perez-Medina et al, JNM, 2014 |
| DiIC12[5]-DS | AAT Bioquest | 22051 | |
| Centrifugal filter | Vivaproducts | VS2061 | |
| Rotary evaporator | Buchi | R-100 | |
| Radio-HPLC | Shimadzu HPLC with 2 LC-10AT pumps | N/A | |
| 89Zr-oxalate | MSKCC | Synthesized in house | TR19/9 variable beam cyclotron (Ebco Industries Inc) |
| Micro PET-CT | Siemens | Inveon Micro-PET/CT | |
| Gamma counter | PerkinElmer | 2470-0150 | |
| Flow cytometry | BD Biosciences | Fortessa | Any multi-parametric flow cytometry analyzers would suffice |
| C57BL/6 mice | Jackson Laboratories | ||
| B16-YFP melanoma cells | Home made | N/A | Salmon et al, Immunity, 2016 |
| Ly6C (clone HK1.4)–APC-Cy7 | 128025 | Biolegend | |
| MHCII (M5/114/152)–APC | 107613 | Biolegend | |
| CD45 (30-F11)–BV510 | 103137 | Biolegend | |
| CD64 (X54-5/7.1)–PE-Cy7 | 139313 | Biolegend | |
| CD11b (M1/70)–BV605 | 101237 | Biolegend | |
| CD3 (17A2)–BV711 | 100241 | Biolegend | |
| CD31 (13.3)–PE | 561073 | Biolegend | |
| CD11c (M418)–PerCP-Cy5.5 | 117327 | BD Biosciences | |
| CD31 (13.3) no fluorophore | 550274 | BD Biosciences |
References
- Peer, D., et al. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat Nanotechnol. 2, 751-760 (2007).
- Barenholz, Y. Doxil(R)–the first FDA-approved nano-drug: lessons learned. J Control Release. 160, 117-134 (2012).
- Green, M. R., et al. Abraxane, a novel Cremophor-free, albumin-bound particle form of paclitaxel for the treatment of advanced non-small-cell lung cancer. Ann Oncol. 17, 1263-1268 (2006).
- Juliano, R. Nanomedicine: is the wave cresting?. Nat Rev Drug Discov. 12, 171-172 (2013).
- Ledford, H. Bankruptcy filing worries developers of nanoparticle cancer drugs. Nature. 533, 304-305 (2016).
- Venditto, V. J., Szoka, F. C. Cancer nanomedicines: so many papers and so few drugs!. Adv Drug Deliv Rev. 65, 80-88 (2013).
- Dunphy, M. P., Lewis, J. S. Radiopharmaceuticals in preclinical and clinical development for monitoring of therapy with PET. J Nucl Med. (50 Suppl 1), (2009).
- Perez-Medina, C., et al. PET Imaging of Tumor-Associated Macrophages with 89Zr-Labeled High-Density Lipoprotein Nanoparticles. J Nucl Med. 56, 1272-1277 (2015).
- Perez-Medina, C., et al. A modular labeling strategy for in vivo PET and near-infrared fluorescence imaging of nanoparticle tumor targeting. J Nucl Med. 55, 1706-1711 (2014).
- Perez-Medina, C., et al. Nanoreporter PET predicts the efficacy of anti-cancer therapy. Nature communications. , (2016).
- Tang, J., et al. Inhibiting macrophage proliferation suppresses atherosclerotic plaque inflammation. Science advances. , (2015).
- Priem, B., Tian, C., Tang, J., Zhao, Y., Mulder, W. J. Fluorescent nanoparticles for the accurate detection of drug delivery. Expert Opin Drug Deliv. 12, 1881-1894 (2015).
- Gianella, A., et al. Multifunctional nanoemulsion platform for imaging guided therapy evaluated in experimental cancer. ACS Nano. 5, 4422-4433 (2011).
- Torchilin, V. P. Recent advances with liposomes as pharmaceutical carriers. Nat Rev Drug Discov. 4, 145-160 (2005).
- Salmon, H., et al. Expansion and Activation of CD103(+) Dendritic Cell Progenitors at the Tumor Site Enhances Tumor Responses to Therapeutic PD-L1 and BRAF Inhibition. Immunity. 44, 924-938 (2016).
- Perez-Medina, C., et al. In Vivo PET Imaging of HDL in Multiple Atherosclerosis Models. JACC Cardiovasc Imaging. 9, 950-961 (2016).
- Duivenvoorden, R., et al. A statin-loaded reconstituted high-density lipoprotein nanoparticle inhibits atherosclerotic plaque inflammation. Nature communications. 5, 3065 (2014).
- Carney, B., et al. Non-invasive PET Imaging of PARP1 Expression in Glioblastoma Models. Mol Imaging Biol. , (2015).
- Salinas, B., et al. Radioiodinated PARP1 tracers for glioblastoma imaging. EJNMMI Res. 5, 123 (2015).
- Carlucci, G., et al. Dual-Modality Optical/PET Imaging of PARP1 in Glioblastoma. Mol Imaging Biol. 17, 848-855 (2015).
- Tang, J., et al. Immune cell screening of a nanoparticle library improves atherosclerosis therapy. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. , (2016).
- Scott, A. M., Wolchok, J. D., Old, L. J. Antibody therapy of cancer. Nat Rev Cancer. 12, 278-287 (2012).
- Goodwill, P., et al. X-space MPI: magnetic nanoparticles for safe medical imaging. Adv Mater. 24, 3870-3877 (2012).
