Nära infraröd fotoimmunoterapi för musmodeller av pleuraspridning
Summary
Nära infraröd fotoimmunoterapi (NIR-PIT) är en framväxande cancerterapeutisk strategi som använder en antikroppsfotoabsorber (IR700Dye) konjugat och NIR-ljus för att förstöra cancerceller. Här presenterar vi en metod för att utvärdera antitumöreffekten av NIR-PIT i en musmodell av pleura-spridd lungcancer och maligna pleura mesoteliom med hjälp av bioluminescens imaging.
Abstract
Effekten av fotoimmunoterapi kan utvärderas mer exakt med en ortopisk musmodell än med en subkutan. En pleura spridning modell kan användas för utvärdering av behandlingsmetoder för intrathoracic sjukdomar såsom lungcancer eller maligna pleura mesoteliom.
Nära infraröd fotoimmunoterapi (NIR-PIT) är en nyligen utvecklad cancerbehandlingsstrategi som kombinerar specificiteten hos tumörinriktade antikroppar med toxicitet orsakad av en fotoabsorber (IR700Dye) efter exponering för NIR-ljus. Effekten av NIR- PIT har rapporterats med hjälp av olika antikroppar; emellertid, endast några rapporter har visat den terapeutiska effekten av denna strategi i en ortopisk modell. I den aktuella studien visar vi ett exempel på effektutvärdering av den pleura-spridas lungcancer modellen, som behandlades med NIR-PIT.
Introduction
Cancer är fortfarande en av de främsta dödsorsakerna trots årtionden av forskning. En orsak är att strålbehandling och kemoterapi är mycket invasiva tekniker, vilket kan begränsa deras terapeutiska fördelar. Cellulära eller molekylärt riktade terapier, som är mindre invasiva tekniker, får ökad uppmärksamhet. Photoimmunotherapy är en behandlingsmetod som synergistiskt förbättrar den terapeutiska effekten genom att kombinera immunterapi och ljusterapi. Immunterapi förbättrar tumör immunitet genom att öka immunogeniciteten i tumör microenvironment och minska immunregulatoriska undertryckande, vilket resulterar i förstörelse av tumörer i kroppen. Fototerapi förstör primära tumörer med en kombination av ljuskänslighet och ljusstrålar, och tumörspecifika antigener som frigörs från tumörcellerna förbättrar tumörimmuniteten. Tumörer kan selektivt behandlas med hjälp av ljuskänslighetskrämer eftersom de är specifika och selektiva för målcellerna. Modaliteten i fototerapi inkluderar fotodynamisk terapi (PDT), fototermisk terapi (PTT) och fotokemibaserade terapier1.
Nära infraröd fotoimmunoterapi (NIR-PIT) är en nyligen utvecklad metod för antitumörfototerapi som kombinerar fotokemisk-baserad terapi och immunterapi1,2. NIR-PIT är en molekylärt riktad terapi som riktar sig mot specifika cellytemolekyler genom konjugation av ett nästan infrarött silikonftalocyaninfärgämne, IRdye 700DX (IR700), till en monoklonal antikropp (mAb). Målcellens cellmembran förstörs vid bestrålning med NIR-ljus (690 nm)3.
Konceptet att använda riktad ljusterapi genom att kombinera konventionella ljuskänslighets- och antikroppar eller riktad PDT är över tre decennier gammal4,5. Tidigare studier har försökt rikta konventionella PDT-medel genom att frammana dem till antikroppar. Det var dock begränsad framgång eftersom dessa konjugat fångades i levern, på grund av ljuskänslighet6,7. Dessutom skiljer sig nir-PIT-mekanismen helt från den konventionella PDT. Konventionella ljuskänslighetsfaktorer genererar oxidativ stress som är resultatet av en energiomvandling som absorberar ljusenergi, förskjuts till ett upphetsad tillstånd, övergår till marktillståndet och orsakar apoptos. NIR-PIT orsakar dock snabb nekros genom att direkt förstöra cellmembranet genom att aggregera ljussenitatorer på membranet genom en fotokemisk reaktion8. NIR-PIT är överlägsen konventionell riktad PDT på många sätt. Konventionella ljussenitizers har låg utrotningskoefficienter, vilket kräver fastsättning av ett stort antal ljuskänsliga medel till en enda antikroppsmolekyl, vilket potentiellt minskar bindningstillhörigheten. De flesta konventionella ljuskänslighetskrämer är hydrofobiska, vilket gör det svårt att binda ljussenitizers till antikroppar utan att kompromissa med deras immunoreaktivitet eller in vivo-målackumulering. Konventionella ljussenitizers absorberar vanligtvis ljus i det synliga området, vilket minskar vävnadspenetration.
Flera studier på NIR-PIT som riktar sig mot intrathoracic tumörer såsom lungcancer och maligna pleura mesoteliom (MPM) celler har rapporterats9,10,11,12,13,14,15,16,17. Endast ett fåtal rapporter har dock beskrivit effekten av NIR-PIT i pleura-spridas MPM eller lungcancer modeller9,10,11,12. Subkutan tumör xenograft modeller tros vara standard tumör modeller och används för närvarande i stor utsträckning för att utvärdera antitumör effekter av nya terapier18. Subkutan tumör microenvironment är dock inte tillåtande för utvecklingen av en lämplig vävnad struktur eller ett tillstånd som korrekt rekapitulerar en sann maligna fenotyp19,20,21,22. Helst bör ortopediska sjukdomsmodeller fastställas för en mer exakt utvärdering av antitumöreffekterna.
Här visar vi en metod för effektivitetsutvärdering i en musmodell av pleura-spridd lungcancer, som behandlades med NIR-PIT. En pleura spridning mus modell genereras genom att injicera tumör celler i brösthålan och bekräftas med luciferase luminescence. Musen behandlades med en intravenös injektion av mAb konjugerad med IR700 och NIR bestrålning till bröstet. Den terapeutiska effekten utvärderades med luciferase luminescence.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie visade vi en metod för att mäta den terapeutiska effekten av NIR-PIT på pleura spridningsmodellen för MPM. Mycket selektiv cell dödande utfördes med NIR-PIT; således skadades den normala vävnadenknappt 23,24,25. Med denna typ av selektiv cellmord visades NIR-PIT vara säker i spridade modeller9,26. Alternativa metod…
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).
