ПЭТ и МРТ руководствуясь облучения глиобластома мышиной модели с помощью микро облучатель
Summary
В прошлом мелких животных облучения был обычно выполняется без способности целевой тома четко разграничить опухоли. Цель заключалась в том, чтобы имитировать лечение глиобластомы человека в крыс. С помощью небольших животных облучения платформы, мы провели МРТ руководствуясь 3D конформное облучения с на основе ПЭТ суб объем повышение в доклинических условиях.
Abstract
На протяжении десятилетий мелких животных излучения исследование проводилось главным образом с использованием довольно сырой экспериментальных установок, применяя простые методы однолучевой без возможности целевого тома конкретных или четко разграничить опухоли. Доставки излучения была достигнута с помощью стационарных радиационных источников или линейные ускорители производства мегавольтных (MV) рентген. Эти устройства способны достичь суб миллиметровой точностью необходимых для мелких животных. Кроме того высокие дозы доставлены здоровыми окружающие ткани препятствуют ответ оценки. Для увеличения перевод между небольших исследований на животных и людей, нашей целью было имитировать лечения глиобластома человека в мышиной модели. Чтобы включить более точные облучение в условиях доклинические, недавно, точность изображения руководствуясь мелких животных излучения исследовательских платформ были разработаны. Подобно человеческой системы планирования, планирования на эти микро Облучатели лечения основан на компьютерная томография (КТ). Однако низкий контраст мягких тканей на КТ делает его очень сложным для локализации целей в некоторых тканях, таких как мозг. Таким образом включение магнитно-резонансная томография (МРТ), который имеет отличные мягких контрастом по сравнению с КТ, позволило бы более точного разграничения мишенью для облучения. В последние десятилетия также биологические методы обработки изображений, например позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) получил интерес для радиационной терапии лечение руководства. PET позволяет визуализацию например, потребление глюкозы, транспорт аминокислот или гипоксии, присутствующих в опухоли. Ориентация высокой пролиферативной или радио устойчивостью части опухоли с более высокие дозы может дать преимущество выживания. Эта гипотеза привело к введению биологических опухоли тома (BTV), помимо обычных брутто тома (GTV), клинической целевой тома (CTV) и запланированных целевой тома (ПТВ).
В доклинических изображений лаборатории Университета Гента микро облучатель, мелких животных PET и 7 T зверька МРТ доступны. Целью было включить МРТ руководствуясь облучения и ПЭТ руководствуясь суб объем повышение в мышиной модели глиобластомы.
Introduction
Полноценное глиомы является наиболее распространенным и наиболее агрессивных злокачественной опухоли головного мозга у взрослых с медиана выживаемости 1 год несмотря на текущих методов лечения. Стандарт медицинской помощи включает в себя максимальную хирургическая резекция, следуют комбинированных внешний пучка излучения терапии (RT) и Темозоламид (ТМЗ), следуют обслуживания TMZ1,2,3. С момента введения TMZ сейчас более чем 15 лет назад никаких существенных улучшений были сделаны в лечении этих опухолей. Таким образом осуществление новых терапевтических стратегий срочной, но сначала должны быть исследованы в небольших животных рака терапии модели (основном мышей и крыс). Опухоль подшипник грызунов модели могут использоваться для изучения эффективности новых и сложных излучения протоколов, возможно, в сочетании с другими агентами (новый) лечение, оценить ответ излучения или расследовать радио защитных агентов. Основным преимуществом исследований доклинических излучения является способность работать в контролируемых экспериментальных условиях, используя большой когорты, что приводит к ускоренному данных урожайности благодаря короче продолжительности грызунов. Доклинические результаты затем должны быть переведены на клинических испытаний в гораздо быстрее и более эффективным способом, чем в текущей практике4.
Обычно малые животные излучения экспериментов в течение последних десятилетий были достигнуты с помощью стационарных радиационных источников5,6,7, например, 137Cs и 60Co, изотопы, или линейные Ускорители предназначен для человека клинического использования, применение единого излучения поле с рентген МВ6,8,9,10,11. Однако эти устройства не достигают суб миллиметровой точностью, которая требуется для мелких животных12. Кроме того MV рентгеновские лучи имеют характеристики неподобающе для облучения мелких целей, такие, как наращивание дозы на интерфейсе воздуха ткани в регионе вход луча с такой степени порядке животное размер самого4,6 ,8,9,10,11. Последний делает его довольно сложно доставить опухоль единой дозы при щадящие, окружающий нормальный мозг ткани4,8,9,10,11. Таким образом неясно, в какой степени текущие исследования животных по-прежнему актуальны для современных RT практика12. В этой связи недавно разработанных трехмерные (3D) конформное мелких животных микро Облучатели являются многообещающими для преодоления технологического разрыва между передовых 3D изображения руководствуясь RT методы, такие как модуляции интенсивности лучевой терапии (IMRT) или конформное дуги используются в организме человека и текущих мелких животных облучения4,13. Эти платформы сделать использование kilovoltage (кв) рентгеновского источника для получения острых penumbras и избежать накопления дозы. Эти платформы включают в себя управляемые компьютером этап для животных, позиционирование, кв источник рентгеновского излучения для визуализации и лучевая терапия, ротации гантри Ассамблею позволить доставки излучения от различных углов и систему коллиматорный для формирования пучка излучения 4. в 2011 году, был установлен микро облучатель в доклинических изображений лаборатории Университета Гента (рис. 1). Эта система похожа на практике современного человека радиотерапии и включает широкий спектр доклинических экспериментов, например взаимодействия излучения с другими терапии, сложной радиационной схемы и руководствоваться изображения суб целевой импульс исследования.
Планирование на эти микро Облучатели лечение основано на КТ, что эквивалентно человека планирования систем14,15. Для КТ, встроенный детектор рентгеновского излучения используется в сочетании с же кв Рентгеновская трубка, которая используется во время лечения. КТ изображения используется как она позволяет для точного позиционирования животных и предоставляет необходимую информацию для вычисления дозы индивидуального облучения через сегментации. Однако из-за низкой контрастности мягких тканей в КТ изображений, опухоли в головном мозге мелких животных, таких как полноценного глиомы, нельзя разделенное легко. Включение изображений мульти-модальности поэтому необходим для делимитации точной целевой тома. По сравнению с КТ, МРТ обеспечивает значительно улучшенный контраст мягких тканей. Это делает его гораздо легче визуализировать границы поражения, что приведет к гораздо лучше разграничения тома, помогая лучше облучить поражения и избежать окружающие ткани, как показано в , Рисунок 24 16. Дополнительным преимуществом является, что МРТ использует неионизирующего излучения, в отличие от CT, который использует ионизирующего излучения. Основные недостатки МРТ являются относительно длительного приобретение раз и высокие эксплуатационные расходы. Важно отметить, что МРТ не может использоваться для расчетов дозы, поскольку они не обеспечивают необходимые электрона плотность информации, хотя достигнут прогресс в этой области, тоже с недавним развитием MR-LINACS. Таким образом набор комбинированных CT/МРТ является методом выбора для планирования облучения Злокачественная Глиома, содержащий информацию, необходимую для ориентации (МРТ основе томов) и дозы вычислений (CT-основе электронной плотности).
Чтобы уменьшить разрыв между мелких животных облучения и повседневной клинической практике, МРТ явно необходимо быть интегрированы в рабочий поток микро облучатель, требует правильной регистрации между МРТ и КТ, которые далеко не тривиальная. В этом документе, наш протокол для МРТ руководствуясь 3D конформное облучения F98 обсуждается глиобластома крыс, который был недавно опубликован17.
Хотя включение КТ и МРТ в рабочем процессе микро облучатель ясно шаг вперед в небольших животных облучения исследований, эти анатомические методы визуализации не всегда позволяют полное определение целевого тома. Патологические изменения в мозге на КТ и МРТ характеризуются повышенной содержание воды (отек) и утечки blood – brain барьер или повышение контрастности. Однако повышение контрастности и гипер интенсивный областям на Т2 взвешенных МРТ являются не всегда точное измерение степени опухоли.Опухолевые клетки были обнаружены далеко за пределы поля контрастности12. Кроме того ни один из этих методов можно определить наиболее агрессивных частей в пределах опухоли, которые могут быть ответственны за терапевтических сопротивления и рецидива опухоли. Таким образом дополнительную информацию от молекулярные методы визуализации, как PET могут иметь дополнительную ценность для RT целевой определение объема, потому что эти методы позволяют визуализировать биологические пути в vivo12,18, 19.
В 2000 году Лин et al. концепцию биологических целевого тома (BTV) путем интеграции рабочего процесса радиотерапии, приводит к то, что они называли многомерные конформной лучевой20анатомические и функциональные изображений. Это создает возможность для повышения дозы ориентации, обеспечивая неоднородной дозы для целевого региона, например с помощью PET изображений. Наиболее широко используемый PET трассирующими стадирования опухоли и для мониторинга лечения ответ плавиково-18 (18F) помечены fluorodeoxyglucose (ФДГ), который визуализирует метаболизма глюкозы21. В головы и шеи рак предыдущие исследования показали, что использование 18F-ФДГ-ПЭТ привело к лучше оценить объем фактической опухоли, как определено патологических образцов, по сравнению с КТ и МРТ-22. В мозге первичной опухоли, где FDG полезен не из-за очень сильный фон сигнала от нормального мозга, аминокислоты, такие как 11C-метионина и совсем недавно 18F-fluoroetthyltyrosine (ФЕТ), были расследованы для GTV разграничение с часто заметные различия между аминокислота PET и МРТ основе GTVs23. Однако еще не была выполнена не проспективное исследование, исследование смысл этот вывод. В этом исследовании мы выбрали аминокислота трассирующими 18F-ФЕТ и гипоксии трассирующими 18F-fluoroazomycin арабинозид (18F-фаза). 18 F-ФЕТ и 18F-FAZA были отобраны, поскольку увеличение поглощения аминокислота сильно коррелирует с уровень распространения в ГБ опухоли, тогда как поглощение гипоксии ПЭТ трассирующими соотносится с сопротивление радиотерапии (химиотерапия)18 , 23. суб объем стимулирование с помощью микро облучатель был оптимизирован, давая дозы дополнительного облучения для ПЭТ определенных частью F98 ГБ опухоли у крыс.
Protocol
Representative Results
Discussion
Для достижения точного облучения глиобластома целевого опухоли в головном мозге крысы, микро облучатель бортовой CT руководство не было достаточно. Опухоли головного мозга едва заметны из-за недостаточной мягких тканей контраст, даже если будет использоваться контрастности. Таким обр…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Stichting лука Hemelaere и Международная ассоциация сороптимисток для поддержки этой работы.
Materials
| GB RAT model | |||
| F98 Glioblastoma cell line | ATCC | CRL-2397 | |
| Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | N/A | http://www.criver.com/products-services/basic-research/find-a-model/fischer-344-rat |
| Micropump system | World Precision Instruments | UMP3 | Micro 4: https://www.wpiinc.com/products/top-products/make-selection-ump3-ultramicropump/#tabs-1 |
| Stereotactic frame | Kopf | 902 | Model 902 Dual Small Animal Stereotaxic frame |
| diamant drill | Velleman | VTHD02 | https://www.velleman.eu/products/view/?id=370450 |
| Bone wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/products/wound-closure/hemostatic-bone-wax |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| InfraPhil IR lamp | Philips | HP3616/01 | |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cell culture | |||
| DMEM | Invitrogen | 14040-091 | |
| Penicilline-streptomycine | Invitrogen | 15140-148 | |
| L-glutamine | Invitrogen | 25030-032 | |
| Fungizone | Invitrogen | 15290-018 | |
| Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25300-062 | |
| PBS | Invitrogen | 14040-224 | |
| Falcons | Thermo Scientific | 178883 | 175 cm2 nunclon surface, disposables for cell culture with filter caps |
| Cell freezing medium | Sigma-aldrich | C6164 | Cell Freezing Medium-DMSO, sterile-filtered, suitable for cell culture, endotoxin tested |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Animal irradiation | |||
| Micro-irradiator | X-strahl | SARRP | |
| software for irradiation | X-strahl | MuriPlan | pre-clinical treatment planning system (PCTPS), version 2.0.5. |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal PET | |||
| microPET system possibility 1 | Molecubes | B-Cube | http://www.molecubes.com/b-cube/ |
| microPET system possibility 2 | TriFoil Imaging, Northridge CA | FLEX Triumph II | http://www.trifoilimaging.com |
| PET tracers | In-house made | 18F-FDG, 18F-FET, 18F-FAZA, 18F-Choline | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal MRI | |||
| microMRI system | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan/overview.html |
| Dotarem contrast agent | Guerbet | MRI contrast agent, Dotarem 0,5 mmol/ml | |
| rat whole body transmitter coil | Rapid Biomedical | V-HLS-070 | |
| rat brain surface coil | Rapid Biomedical | P-H02LE-070 | |
| Water-based heating unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
| 30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | 30 G |
| PE 10 tubing (60 cm/injection) | Instech laboratories, Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x .024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
| non-heparinised micro haematocrit capillaries | GMBH | 7493 21 | these capillaries are filled with water to create markers visible on MRI and CT |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Consumables | |||
| isoflurane: Isoflo | Zoetis | B506 | Anaesthesia |
| ketamine: Ketamidor | Ecuphar | Anaesthesia | |
| xylazine: Sedaxyl | Codifar NV | Anaesthesia | |
| catheter | Terumo | Versatus-W | 26G |
| Temozolomide | Sigma-aldrich | T2577-100MG | chemotherapy |
| DMSO | Sigma-aldrich | 276855-100ML | |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Image analysis | |||
| PMOD software | PMOD technologies LLC | PFUS (fusion tool) | biomedical image quantification software (BIQS), version 3.405, https://www.pmod.com/web/?portfolio=22-image-processing-pfus |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Anesthesia-equipment | |||
| Anesthetic movabe unit | ASA LTD | ASA 0039 | ASA LTD, 5 valley road, Keighley, BD21 4LZ |
| Oxygen generator | Veterinary technics Int. | 7F-3 | BDO-Medipass, Ijmuiden |
References
- Stupp, R., et al. Promising survival for patients with newly diagnosed glioblastoma multiforme treated with concomitant radiation plus temozolomide followed by adjuvant temozolomide. J Clin Oncol. 20 (5), 1375-1382 (2002).
- Dhermain, F. Radiotherapy of high-grade gliomas: current standards and new concepts, innovations in imaging and radiotherapy, and new therapeutic approaches. Chin J Cancer. 33 (1), 16-24 (2014).
- Ahmed, R., et al. Malignant gliomas: current perspectives in diagnosis, treatment, and early response assessment using advanced quantitative imaging methods. Cancer Manag Res. 6, 149-170 (2014).
- Verhaegen, F., Granton, P., Tryggestad, E. Small animal radiotherapy research platforms. Phys Med Biol. 56 (12), R55-R83 (2011).
- Kinsella, T. J., Vielhuber, K. A., Kunugi, K. A., Schupp, J., Davis, T. W., Sands, H. Preclinical toxicity and efficacy study of a 14-day schedule of oral 5-iodo-2-pyrimidinone-2-deoxyribose as a prodrug for 5-iodo-2-deoxyuridine radiosensitization in U251 human glioblastoma xenografts. Clin Cancer Res. 6 (4), 1468-1475 (2000).
- Vellimana, A. K., et al. Combination of paclitaxel thermal gel depot with temozolomide and radiotherapy significantly prolongs survival in an experimental rodent glioma model. J Neurooncol. 111 (3), 229-236 (2012).
- Kioi, M., Vogel, H., Schultz, G., Hoffman, R. M., Harsh, G. R., Brown, J. M. Inhibition of vasculogenesis, but not angiogenesis, prevents the recurrence of glioblastoma after irradiation in mice. J Clin Invest. 120 (3), 694-705 (2010).
- Vinchon-Petit, S., Jarnet, D., Jadaud, E., Feuvret, L., Garcion, E., Menei, P. External irradiation models for intracranial 9L glioma studies. J Exp Clin Cancer Res. 29, 142 (2010).
- Yang, W., et al. Convection enhanced delivery of carboplatin in combination with radiotherapy for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 101 (3), 379-390 (2011).
- Rousseau, J., et al. Efficacy of intracerebral delivery of cisplatin in combination with photon irradiation for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 98 (3), 287-295 (2010).
- Baumann, B. C., et al. An integrated method for reproducible and accurate image-guided stereotactic cranial irradiation of brain tumors using the small animal radiation research platform. Transl Oncol. 5 (4), 230-237 (2012).
- Grosu, A. -. L., et al. Implications of IMT-SPECT for postoperative radiotherapy planning in patients with gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 54 (3), 842-854 (2002).
- Butterworth, K. T., Prise, K. M., Verhaegen, F. Small animal image-guided radiotherapy: Status, considerations and potential for translational impact. Br J Radiol. 88 (1045), 4-6 (2015).
- Aird, E. G. A., Conway, J. CT simulation for radiotherapy treatment planning. Br J Radiol. 75 (900), 937-949 (2002).
- Baker, G. R. Localization: Conventional and CT simulation. Br J Radiol. 79 (Spec No 1). , S36-S49 (2006).
- Corroyer-Dumont, A., et al. MRI-guided radiotherapy of the SK-N-SH neuroblastoma xenograft model using a small animal radiation research platform. Br J Radiol. 90 (1069), 20160427 (2017).
- Bolcaen, J., et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). J Neurooncol. 120 (2), 257-266 (2014).
- Niyazi, M., et al. FET-PET for malignant glioma treatment planning. Radiother Oncol. 99 (1), 44-48 (2011).
- Grosu, A. L., et al. First experience with I-123-alpha-methyl-tyrosine SPECT in the 3-D radiation treatment planning of brain gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (2), 517-526 (2000).
- Ling, C. C., et al. Towards multidimensional radiotherapy (MD-CRT):biological imaging and biological conformality. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (3), 551-560 (2000).
- Wahl, R. L., Jacene, H., Kasamon, Y., Lodge, M. A. From RECIST to PERCIST: Evolving Considerations for PET response criteria in solid tumors. J Nucl Med. 50 (5), 122S-150S (2009).
- Daisne, J. F., et al. Tumor volume in pharyngolaryngeal squamous cell carcinoma: comparison at CT, MR imaging, and FDG PET and validation with surgical specimen. Radiology. 233 (1), 93-100 (2004).
- Grosu, A. -. L., Weber, W. PET for radiation treatment planning of brain tumours. Radiother Oncol. 96 (3), 325-327 (2010).
- Banissi, C., Ghiringhelli, F., Chen, L., Carpentier, A. F. Treg depletion with a low-dose metronomic temozolomide regimen in a rat glioma model. Cancer Immunol Immunother. 58, 1627-1634 (2009).
- Robinson, C. G., et al. Effect of alternative temozolomide schedules on glioblastoma O(6)-methylguanine-DNA methyltransferase activity and survival. Br J Cancer. 103, 498-504 (2010).
- España, S., Marcinkowski, R., Keereman, V., Vandenberghe, S., Van Holen, R. DigiPET: sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators. Phys Med Biol. 59 (13), 3405 (2014).
