Nær infrarød fotoimmunoterapi for musemodeller av pleural formidling
Summary
Nær-infrarød fotoimmunoterapi (NIR-PIT) er en fremvoksende kreftterapeutisk strategi som bruker en antistoff-fotoabsorber (IR700Dye) konjugat og NIR-lys for å ødelegge kreftceller. Her presenterer vi en metode for å evaluere antitumoreffekten av NIR-PIT i en musemodell av pleural spredt lungekreft og ondartet pleuralt mesothelioma ved hjelp av bioluminescensavbildning.
Abstract
Effekten av fotoimmunoterapi kan evalueres mer nøyaktig med en ortotopisk musemodell enn med en subkutan. En pleural formidlingsmodell kan brukes til evaluering av behandlingsmetoder for intrathoracic sykdommer som lungekreft eller ondartet pleural mesothelioma.
Nær-infrarød fotoimmunoterapi (NIR-PIT) er en nylig utviklet kreftbehandlingsstrategi som kombinerer spesifisiteten til tumormålrettende antistoffer med toksisitet forårsaket av en fotoabsorber (IR700Dye) etter eksponering for NIR-lys. Effekten av NIR-PIT er rapportert ved bruk av ulike antistoffer; Imidlertid har bare noen få rapporter vist den terapeutiske effekten av denne strategien i en ortotopisk modell. I den nåværende studien viser vi et eksempel på effektevaluering av den pleurale formidlings lungekreftmodellen, som ble behandlet ved hjelp av NIR-PIT.
Introduction
Kreft er fortsatt en av de ledende årsakene til dødelighet til tross for flere tiår med forskning. En grunn er at strålebehandling og kjemoterapi er svært invasive teknikker, noe som kan begrense deres terapeutiske fordeler. Cellulære eller molekylær-målrettede terapier, som er mindre invasive teknikker, får økt oppmerksomhet. Fotoimmunoterapi er en behandlingsmetode som synergistisk forbedrer den terapeutiske effekten ved å kombinere immunterapi og fototerapi. Immunterapi forbedrer tumorimmuniteten ved å øke immunogenisiteten til tumormikromiljøet og redusere immunregulatorisk undertrykkelse, noe som resulterer i ødeleggelse av svulster i kroppen. Fototerapi ødelegger primære svulster med en kombinasjon av fotosensibilisatorer og lysstråler, og tumorspesifikke antigener frigjort fra tumorcellene forbedrer tumorimmuniteten. Svulster kan behandles selektivt ved hjelp av fotosensibiliserere, da de er spesifikke og selektive for målcellene. Modaliteten til fototerapi inkluderer fotodynamisk terapi (PDT), fototermisk terapi (PTT) og fotokjemibaserte terapier1.
Nær-infrarød fotoimmunoterapi (NIR-PIT) er en nylig utviklet metode for antitumor fototerapi som kombinerer fotokjemisk basert terapi og immunterapi1,2. NIR-PIT er en molekylært målrettet terapi som retter seg mot spesifikke celleoverflatemolekyler gjennom konjugering av et nær-infrarødt silisium ftalacyaniinfargestoff, IRdye 700DX (IR700), til et monoklonalt antistoff (mAb). Cellemembranen til målcellen ødelegges ved bestråling med NIR-lys (690 nm)3.
Konseptet med å bruke målrettet lysterapi ved å kombinere konvensjonelle fotosensibiliserere og antistoffer eller målrettet PDT er over tre tiår gammel4,5. Tidligere studier har forsøkt å målrette konvensjonelle PDT-midler ved å mane dem til antistoffer. Det var imidlertid begrenset suksess fordi disse konjugatene var fanget i leveren, på grunn av fotosensibiliteten til fotosensibilisatorene6,7. Dessuten er mekanismen til NIR-PIT helt forskjellig fra den konvensjonelle PDT. Konvensjonelle fotosensibilisatorer genererer oksidativt stress som skyldes en energikonvertering som absorberer lysenergi, dislokerer til en spent tilstand, overganger til bakketilstanden og forårsaker apoptose. NIR-PIT forårsaker imidlertid rask nekrose ved å ødelegge cellemembranen direkte ved å samle fotosensibilisatorer på membranen gjennom en fotokjemisk reaksjon8. NIR-PIT er på mange måter bedre enn konvensjonell målrettet PDT. Konvensjonelle fotosensibilisatorer har koeffisienter med lav utryddelse, noe som krever vedlegg av et stort antall fotosensibilisatorer til et enkelt antistoffmolekyl, noe som potensielt reduserer bindende affinitet. De fleste konvensjonelle fotosensibilisatorer er hydrofobe, noe som gjør det vanskelig å binde fotosensibilisatorene til antistoffer uten å gå på kompromiss med immunoreaktivitet eller in vivo-målakkumulering. Konvensjonelle fotosensibiliserere absorberer vanligvis lys i det synlige området, noe som reduserer vevsinntrengning.
Flere studier på NIR-PIT rettet mot intrathoracic svulster som lungekreft og ondartede pleural mesothelioma (MPM) celler har blitt rapportert9,10,11,12,13,14,15,16,17. Imidlertid har bare noen få rapporter beskrevet effekten av NIR-PIT i pleuralformidling MPM eller lungekreftmodeller9,10,11,12. Subkutan tumor xenograft modeller antas å være standard tumormodeller og er for tiden mye brukt til å evaluere antitumoreffektene av nye terapier18. Imidlertid er det subkutane tumormikromiljøet ikke tillatt for utvikling av en passende vevsstruktur eller en tilstand som riktig recapitulates en ekte ondartet fenotype19,20,21,22. Ideelt sett bør ortotopiske sykdomsmodeller etableres for en mer presis evaluering av antitumoreffektene.
Her demonstrerer vi en metode for effektevaluering i en musemodell av pleural spredt lungekreft, som ble behandlet ved hjelp av NIR-PIT. En pleural formidlingsmusmodell genereres ved å injisere tumorceller i thoracic hulrommet og bekreftet ved hjelp av luciferase luminescens. Musen ble behandlet med en intravenøs injeksjon av mAb konjugert med IR700 og NIR bestråling til brystet. Den terapeutiske effekten ble evaluert ved hjelp av luciferase luminescens.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien demonstrerte vi en metode for å måle den terapeutiske effekten av NIR-PIT på den pleurale formidlingsmodellen til MPM. Svært selektiv celledrap ble utført med NIR-PIT; Dermed ble det normale vevet knapt skadet23,24,25. Med denne typen selektiv celledrap ble NIR-PIT vist å være trygg i spredte modeller9,26. Alternati…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen
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).
