Nabij-infrarood foto-immuuntherapie voor muismodellen van pleurale verspreiding
Summary
Nabij-infrarood foto-immuuntherapie (NIR-PIT) is een opkomende kankertherapeutische strategie die gebruik maakt van een antilichaam-fotoabsorber (IR700Dye) conjugaat en NIR-licht om kankercellen te vernietigen. Hier presenteren we een methode om het antitumoreffect van NIR-PIT te evalueren in een muismodel van pleurale gedissemineerde longkanker en maligne pleuraal mesothelioom met behulp van bioluminescentie beeldvorming.
Abstract
De werkzaamheid van foto-immuuntherapie kan nauwkeuriger worden geëvalueerd met een orthotopisch muismodel dan met een subcutaan model. Een pleuraal verspreidingsmodel kan worden gebruikt voor de evaluatie van behandelingsmethoden voor intrathoracale ziekten zoals longkanker of maligne mesothelioom van de pleura.
Nabij-infrarood foto-immuuntherapie (NIR-PIT) is een recent ontwikkelde kankerbehandelingsstrategie die de specificiteit van tumorgerichte antilichamen combineert met toxiciteit veroorzaakt door een fotoabsorber (IR700Dye) na blootstelling aan NIR-licht. De werkzaamheid van NIR-PIT is gemeld met behulp van verschillende antilichamen; slechts enkele rapporten hebben echter het therapeutische effect van deze strategie in een orthotopisch model aangetoond. In de huidige studie tonen we een voorbeeld van werkzaamheidsevaluatie van het pleura gedissemineerde longkankermodel, dat werd behandeld met NIR-PIT.
Introduction
Kanker blijft een van de belangrijkste doodsoorzaken, ondanks tientallen jaren van onderzoek. Een reden is dat bestralingstherapie en chemotherapie zeer invasieve technieken zijn, die hun therapeutische voordelen kunnen beperken. Cellulaire of moleculair gerichte therapieën, die minder invasieve technieken zijn, krijgen meer aandacht. Fotoimmunotherapie is een behandelmethode die synergetisch het therapeutische effect versterkt door immunotherapie en fototherapie te combineren. Immunotherapie verbetert de tumorimmuniteit door de immunogeniciteit van de tumormicro-omgeving te verhogen en immunoregulerende onderdrukking te verminderen, wat resulteert in de vernietiging van tumoren in het lichaam. Fototherapie vernietigt primaire tumoren met een combinatie van foto-ensitizers en lichtstralen, en tumorspecifieke antigenen die vrijkomen uit de tumorcellen verbeteren de tumorimmuniteit. Tumoren kunnen selectief worden behandeld met behulp van foto-ensitizers omdat ze specifiek en selectief zijn voor de doelcellen. De modaliteit van fototherapie omvat fotodynamische therapie (PDT), fotothermische therapie (PTT) en op fotochemie gebaseerde therapieën1.
Nabij-infrarood foto-immuuntherapie (NIR-PIT) is een recent ontwikkelde methode van antitumor fototherapie die fotochemische therapie en immunotherapie combineert1,2. NIR-PIT is een moleculair gerichte therapie die zich richt op specifieke celoppervlakmoleculen door de conjugatie van een nabij-infrarood siliciumftalocyaninekleurstof, IRdye 700DX (IR700), tot een monoklonaal antilichaam (mAb). Het celmembraan van de doelcel wordt vernietigd bij bestraling met NIR-licht (690 nm)3.
Het concept van het gebruik van gerichte lichttherapie door conventionele fotozensitizers en antilichamen of gerichte PDT te combineren, is meer dan drie decennia oud4,5. Eerdere studies hebben geprobeerd conventionele PDT-middelen aan te vallen door ze te conjugeren tot antilichamen. Er was echter beperkt succes omdat deze conjugaten gevangen zaten in de lever, vanwege de hydrofobiciteit van de foto-ensitizers6,7. Bovendien is het mechanisme van NIR-PIT compleet anders dan dat van conventionele PDT. Conventionele foto-ensitizers genereren oxidatieve stress die het gevolg is van een energieomzetting die lichtenergie absorbeert, ontwricht naar een aangeslagen toestand, overgaat naar de grondtoestand en apoptose veroorzaakt. NIR-PIT veroorzaakt echter snelle necrose door het celmembraan direct te vernietigen door foto-ensitizers op het membraan te aggregeren via een fotochemische reactie8. NIR-PIT is in veel opzichten superieur aan conventionele gerichte PDT. Conventionele foto-ensitizers hebben lage extinctiecoëfficiënten, waardoor grote aantallen foto-ensitizers aan een enkel antilichaammolecuul moeten worden gehecht, waardoor de bindingsaffiniteit mogelijk wordt verminderd. De meeste conventionele foto-ensitizers zijn hydrofoob, waardoor het moeilijk is om de foto-ensitizers aan antilichamen te binden zonder hun immunoreactiviteit of in vivo doelaccumulatie in gevaar te brengen. Conventionele foto-ensitizers absorberen meestal licht in het zichtbare bereik, waardoor de penetratie van weefsel wordt verminderd.
Verschillende studies naar NIR-PIT gericht op intrathoracale tumoren zoals longkanker en kwaadaardige mesothelioom (MPM) cellen van de pleura zijn gemeld9,10,11,12,13,14,15,16,17. Slechts enkele rapporten hebben echter de werkzaamheid van NIR-PIT beschreven in pleura gedissemineerde MPM- of longkankermodellen9,10,11,12. Subcutane tumor xenograft modellen worden beschouwd als standaard tumormodellen en worden momenteel veel gebruikt om de antitumor effecten van nieuwe therapieën te evalueren18. De micro-omgeving van de subcutane tumor is echter niet tolerant voor de ontwikkeling van een geschikte weefselstructuur of een aandoening die een echt kwaadaardig fenotype19,20,21, 22goed samenvat. Idealiter zouden orthotopische ziektemodellen moeten worden opgesteld voor een nauwkeurigere evaluatie van de antitumoreffecten.
Hier demonstreren we een methode van werkzaamheidsevaluatie in een muismodel van pleurale gedissemineerde longkanker, die werd behandeld met NIR-PIT. Een pleuraal verspreidingsmuismodel wordt gegenereerd door tumorcellen in de thoracale holte te injecteren en bevestigd met behulp van luciferase-luminescentie. De muis werd behandeld met een intraveneuze injectie van mAb geconjugeerd met IR700 en NIR-bestraling naar de borstkas. Het therapeutische effect werd geëvalueerd met behulp van luciferase-luminescentie.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie demonstreerden we een methode voor het meten van het therapeutische effect van NIR-PIT op het pleurale verspreidingsmodel van MPM. Zeer selectieve celdoding werd uitgevoerd met NIR-PIT; het normale weefsel werd dus nauwelijks beschadigd23,24,25. Met dit type selectieve celdoding werd aangetoond dat NIR-PIT veilig was in verspreide modellen9,<sup c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen
Materials
| 0.25w/v% Trypsin-1mmol/l EDTA 4Na Solution with Phenol Red | Wako | 209-016941 | for cell culture |
| 1mL syringe | TERUMO | SS-01T | for mice experiment |
| 30G needle | Nipro | 1907613 | for mice experiment |
| BALB/cSlc-nu/nu | Japan SLC | ||
| Collidal Blue Staining Kit | Invitrogen | LC6025 | use for gel protein staining |
| Coomassie (bradford) Plus protein assay | Thermo Fisher Scientific Inc (Waltham, MA, USA) | PI-23200 | for measuring the APC concentration |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Wako | 043-07216 | use for conjugation of IR700 |
| D-Luciferin (potassium salt) | Cayman Chemical | 14681 | for bioluminescence imaging and DLIT |
| GraphPad Prism7 | GraphPad software | for statistical analysis | |
| Image Studio | Li-Cor Biosciences | for analyzing 700 nm fluorescent image | |
| IRDye 700DX Ester Infrared Dye | LI-COR Bioscience (Lincoln, NE, USA) | 929-70011 | |
| isoflurane | Wako | 095-06573 | for mice anesthesia |
| IVIS Spectrum CT | PerkinElmer | for capturing bioluminescent image and DLIT | |
| Living Image | PerkinElmer | for analyzing bioluminescent image and DLIT | |
| Na2HPO4 | SIGMA-ALDRICH (St. Louis, MO, USA) | S9763 | use for conjugation of IR700 |
| NIR Laser | Changchun New Industries Optoelectronics Technology | MRL-III-690R | for NIR irradiation |
| Novex WedgeWell 4 to 20%, Tris-Glycine, 1.0 mm, Mini Protein Gel, 12 well | Invitrogen | XP04202BOX | use for SDS-PAGE |
| NuPAGE LDS Sample Buffer (x4) | Invitrogen | NP0007 | use for SDS-PAGE |
| Optical power meter | Thorlabs (Newton, NJ, USA) | PM100 | for measuring the output of the NIR laser |
| PBS(-) | Wako | 166-23555 | |
| Pearl Trilogy imaging system | Li-Cor Biosciences | for capturing 700 nm fluorecent image | |
| Penicilin-Streptomycin Solution (x100) | Wako | 168-23191 | for cell culture |
| Puromycin Dihydrochloride | ThermoFisher | A1113803 | for luciferase transfection |
| RediFect Red-Fluc-Puromycin Lentiviral Prticles | PerkinElmer | CLS960002 | for luciferase transfection |
| RPMI-1640 with L-glutamine and Phenol Red | Wako | 189-02025 | for cell culture |
| Sephadex G25 column (PD-10) | GE Healthcare (Piscataway, NJ, USA) | 17-0851-01 | use for conjugation of IR700 |
| UV-1900i | Shimadzu | for measuring the APC concentration |
References
- Xu, X., Lu, H., Lee, R. Near Infrared Light Triggered Photo/Immuno-Therapy Toward Cancers. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, (2020).
- Mitsunaga, M., et al. Cancer cell-selective in vivo near infrared photoimmunotherapy targeting specific membrane molecules. Nature Medicine. 17, 1685-1691 (2011).
- Kobayashi, H., Choyke, P. L. Near-Infrared Photoimmunotherapy of Cancer. Accounts of Chemical Research. 52, 2332-2339 (2019).
- Oseroff, A. R., Ohuoha, D., Hasan, T., Bommer, J. C., Yarmush, M. L. Antibody-targeted photolysis: Selective photodestruction of human T-cell leukemia cells using monoclonal antibody-chlorin e6 conjugates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 83, 8744-8748 (1986).
- Mew, D., Wat, C. K., Towers, G. H., Levy, J. G. Photoimmunotherapy: treatment of animal tumors with tumor-specific monoclonal antibody-hematoporphyrin conjugates. Journal of Immunology. 130, 1473-1477 (1983).
- Vrouenraets, M. B., et al. Development of meta-tetrahydroxyphenylchlorin-monoclonal antibody conjugates for photoimmunotherapy. Cancer Research. 59, 1505-1513 (1999).
- Goff, B. A., et al. Photoimmunotherapy and biodistribution with an OC125-chlorin immunoconjugate in an in vivo murine ovarian cancer model. British Journal of Cancer. 70, 474-480 (1994).
- Sato, K., et al. Photoinduced Ligand Release from a Silicon Phthalocyanine Dye Conjugated with Monoclonal Antibodies: A Mechanism of Cancer Cell Cytotoxicity after Near-Infrared Photoimmunotherapy. ACS Central Science. 4, 1559-1569 (2018).
- Sato, K., Nagaya, T., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy in the treatment of pleural disseminated NSCLC: Preclinical experience. Theranostics. 5, 698-709 (2015).
- Nishinaga, Y., et al. Targeted Phototherapy for Malignant Pleural Mesothelioma: Near-Infrared Photoimmunotherapy Targeting Podoplanin. Cells. 9, 1019 (2020).
- Sato, K., et al. Near infrared photoimmunotherapy prevents lung cancer metastases in a murine model. Oncotarget. 6, 19747-19758 (2015).
- Sato, K., Nagaya, T., Mitsunaga, M., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy for lung metastases. Cancer Letters. 365, 112-121 (2015).
- Isobe, Y., et al. Near infrared photoimmunotherapy targeting DLL3 for small cell lung cancer. EBioMedicine. 52, 102632 (2020).
- Nakamura, Y., et al. Near infrared photoimmunotherapy in a transgenic mouse model of spontaneous epidermal growth factor receptor (EGFR)-expressing lung cancer. Molecular Cancer Therapeutics. 16, 408-414 (2017).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy with avelumab, an anti-programmed death-ligand 1 (PD-L1) antibody. Oncotarget. 8, 8807-8817 (2017).
- Sato, K., et al. Spatially selective depletion of tumor-associated regulatory T cells with near-infrared photoimmunotherapy. Science Translational Medicine. 8, (2016).
- Sato, K., et al. Comparative effectiveness of light emitting diodes (LEDs) and lasers in near infrared photoimmunotherapy. Oncotarget. 7, 14324-14335 (2016).
- Sato, K., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Photoimmunotherapy of Gastric Cancer Peritoneal Carcinomatosis in a Mouse Model. PLoS One. 9, 113276 (2014).
- McLemore, T. L., et al. Comparison of intrapulmonary, percutaneous intrathoracic, and subcutaneous models for the propagation of human pulmonary and nonpulmonary cancer cell lines in athymic nude mice. Cancer Research. 48, 2880-2886 (1988).
- Manzotti, C., Audisio, R. A., Pratesi, G. Importance of orthotopic implantation for human tumors as model systems: relevance to metastasis and invasion. Clinical & Experimental Metastasis. 11, 5-14 (1993).
- Lwin, T. M., Hoffman, R. M., Bouvet, M. Advantages of patient-derived orthotopic mouse models and genetic reporters for developing fluorescence-guided surgery. Journal of Surgical Oncology. 118, 253-264 (2018).
- Sordat, B. C. M. . From Ectopic to Orthotopic Tumor Grafting Sites: Evidence for a Critical Role of the Host Tissue Microenvironment for the Actual Expression of the Malignant Phenotype. , 43-53 (2017).
- Sato, K., et al. Photoimmunotherapy: comparative effectiveness of two monoclonal antibodies targeting the epidermal growth factor receptor. Molecular Oncology. 8, 620-632 (2014).
- Nakajima, T., et al. The effects of conjugate and light dose on photo-immunotherapy induced cytotoxicity. BMC Cancer. 14, 389 (2014).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy of B-cell lymphoma. Molecular Oncology. 10, 1404-1414 (2016).
- Sato, K., et al. Near infrared photoimmunotherapy in the treatment of disseminated peritoneal ovarian cancer. Molecular Cancer Therapeutics. 14, 141-150 (2015).
- Colin, D. J., Bejuy, O., Germain, S., Triponez, F., Serre-Beinier, V. Implantation and monitoring by pet/ct of an orthotopic model of human pleural mesothelioma in athymic mice. Journal of Visualized Experiments. 2019, (2019).
- Opitz, I., et al. Local recurrence model of malignant pleural mesothelioma for investigation of intrapleural treatment. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 31, 772-778 (2007).
- Bunn, P. A., Kelly, K. New chemotherapeutic agents prolong survival and improve quality of life in non-small cell lung cancer: a review of the literature and future directions. Clinical Cancer Research. 4, 1087-1100 (1998).
- Astoul, P., Wang, X., Hoffman, R. Patient-like nude-mouse and scid-mouse models of human lung and pleural cancer (review). International Journal of Oncology. 3, 713-718 (1993).
- Yamaguchi, H., Pantarat, N., Suzuki, T., Evdokiou, A. Near-infrared photoimmunotherapy using a small protein mimetic for HER2-overexpressing breast cancer. International Journal of Molecular Sciences. 20, (2019).
- Jing, H., et al. Imaging and selective elimination of glioblastoma stem cells with theranostic Near-Infrared-Labeled CD133-Specific antibodies. Theranostics. 6, 862-874 (2016).
- Burley, T. A., et al. Near-infrared photoimmunotherapy targeting EGFR-Shedding new light on glioblastoma treatment. International Journal of Cancer. 142, 2363-2374 (2018).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy using a fiber optic diffuser for treating peritoneal gastric cancer dissemination. Gastric Cancer. 22, 463-472 (2019).
- Nagaya, T., et al. Endoscopic near infrared photoimmunotherapy using a fiber optic diffuser for peritoneal dissemination of gastric cancer. Cancer Science. 109, 1902-1908 (2018).
- Harada, T., et al. Near-infrared photoimmunotherapy with galactosyl serum albumin in a model of diffuse peritoneal disseminated ovarian cancer. Oncotarget. 7, 79408-79416 (2016).
- Journals, O. JNCI Journal of the National Cancer Institute Way to Better DNA. Annals of Internal Medicine. 37, 1-9 (2008).
