Magnetische resonantie-geleide hoge intensiteit gerichte echografie gegenereerde hyperthermie: een haalbare behandelingsmethode in een Murine Rhabdomyosarcoom-model
Summary
Hier wordt een protocol gepresenteerd om gecontroleerde hyperthermie te gebruiken, gegenereerd door magnetische resonantiegeleide hoge intensiteit gerichte echografie, om medicijnafgifte te activeren van temperatuurgevoelige liposomen in een rhabdomyosarcoommuismodel.
Abstract
Magnetische resonantiegeleide high intensity focused ultrasound (MRgHIFU) is een gevestigde methode voor het produceren van gelokaliseerde hyperthermie. Gezien de real-time beeldvorming en akoestische energiemodulatie maakt deze modaliteit een nauwkeurige temperatuurregeling binnen een bepaald gebied mogelijk. Veel thermische toepassingen worden onderzocht met deze niet-invasieve, niet-ioniserende technologie, zoals hyperthermiegeneratie, om geneesmiddelen vrij te maken van thermogevoelige liposomale dragers. Deze geneesmiddelen kunnen chemotherapieën zoals doxorubicine omvatten, waarvoor gerichte afgifte gewenst is vanwege de dosisbeperkende systemische bijwerkingen, namelijk cardiotoxiciteit. Doxorubicine is een steunpilaar voor de behandeling van een verscheidenheid aan kwaadaardige tumoren en wordt vaak gebruikt bij recidiverende of terugkerende rhabdomyosarcoom (RMS). RMS is de meest voorkomende vaste weke delen extracraniële tumor bij kinderen en jonge volwassenen. Ondanks agressieve, multimodale therapie zijn de overlevingskansen van RMS de afgelopen 30 jaar hetzelfde gebleven. Om een oplossing te onderzoeken voor het aanpakken van deze onvervulde behoefte, werd een experimenteel protocol ontwikkeld om de afgifte van thermosensitieve liposomale doxorubicine (TLD) in een immunocompetent, syngenetisch RMS-muismodel te evalueren met MRgHIFU als de bron van hyperthermie voor medicijnafgifte.
Introduction
Rhabdomyosarcoom (RMS) is een skeletspiertumor die het meest voorkomt bij kinderen en jonge volwassenen1. Gelokaliseerde ziekte wordt vaak behandeld met multimodale behandeling, waaronder chemotherapie, ioniserende straling en chirurgie. Het gebruik van multi-drug chemotherapieregimes komt vaker voor bij pediatrische patiënten, met verbeterde resultaten in vergelijking met hun volwassen tegenhangers2; Ondanks lopende onderzoeksinspanningen blijft de 5-jaarsoverleving echter ongeveer 30% in de meest agressieve vorm van de ziekte 3,4. De chemotherapie standaard van zorg is een multidrug regime dat vincristine, cyclofosfamide en actinomycine D omvat. In gevallen van recidiverende of terugkerende ziekte worden alternatieve chemotherapieën gebruikt, waaronder standaard (vrij) doxorubicine (FD) en ifosfamide1. Hoewel al deze chemotherapieën systemische toxiciteiten hebben, legt de cardiotoxiciteit van doxorubicine een levenslange dosisbeperkingop 5-7. Om de hoeveelheid van het geneesmiddel dat aan de tumor wordt afgegeven te verhogen en systemische toxiciteit te minimaliseren, zijn alternatieve formuleringen ontwikkeld, waaronder liposomale inkapseling. Dit kunnen niet-thermosensitieve doxorubicine zijn, die is goedgekeurd voor de behandeling van borstkanker en hepatocellulair carcinoom, of thermosensitief doxorubicine, waarvoor klinische onderzoeken lopen 8,9,10,11,12,13. Alternatieve methoden voor het leveren van liposomaal ingekapselde geneesmiddelen zoals multi-vesiculaire liposomen en ligand-gerichte liposomen zijn geëvalueerd en zijn veelbelovend voor de behandeling van tumoren9. In deze studie heeft de toevoeging van warmte multifactoriële effecten, waaronder medicijnafgifte14. De combinatie van hyperthermie (HT) gegenereerd met magnetische resonantiegeleide high intensity focused ultrasound (MRgHIFU) en thermosensitieve liposomale doxorubicine (TLD) is een nieuwe multimodale therapeutische benadering voor het gebruik van dit toxische maar effectieve medicijn om RMS te behandelen, terwijl dosisbeperkende toxiciteit wordt geminimaliseerd en mogelijk de immuunrespons op de tumor wordt verhoogd.
Doxorubicine komt snel vrij uit TLD bij temperaturen >39 °C, ruim boven de gemiddelde menselijke lichaamstemperatuur van 37 °C, maar niet hoog genoeg om weefselschade of ablatie te veroorzaken; dit begint te gebeuren bij 43 °C, maar treedt sneller op naarmate de temperatuur de 60 °C15 nadert. Verschillende methoden zijn gebruikt om HT in vivo te genereren, waaronder lasers, microgolven, radiofrequente ablatie en gerichte echografie, waarvan vele invasieve verwarmingsmethoden zijn16. MRgHIFU is een niet-invasieve, niet-ioniserende verwarmingsmethode die nauwkeurige temperatuurinstellingen in het doelweefsel in situ mogelijk maakt. Magnetische resonantie (MR) beeldvorming biedt cruciaal real-time beeldvorming, waarbij computersoftware kan worden gebruikt, om een thermometriemeting van het weefsel tijdens de behandeling te berekenen; Vervolgens kunnen deze gegevens worden gebruikt om de ultrasone therapie in realtime te regelen om een gewenst temperatuurinstelpunt17 te bereiken en te behouden. MRgHIFU is getest in verschillende weefseltypen en kan worden gebruikt voor een breed scala aan temperatuurbehandelingen, van milde HT tot ablatie, maar ook klinisch om pijnlijke botmetastasen met succes te behandelen18. Bovendien is aangetoond dat HT tumorcytotoxiciteit veroorzaakt, eiwitexpressie moduleert en de immuunrespons in de tumormicro-omgeving verandert 19,20,21,22. Eén studie combineerde milde HT met TLD, gevolgd door ablatie met MRgHIFU, in een synergetisch R1-rattenmodel23, resulterend in necrose in de tumorkern en medicijnafgifte aan de periferie. Traditioneel wordt radiotherapie gebruikt als een aanvullende therapie om tumorcellen te beschadigen en de terugkeer van lokale ziekten te verminderen. Het gebruik ervan wordt echter beperkt door levenslange dosering en off-target schade1. HT is dus uniek omdat het enkele van dezelfde effecten kan veroorzaken zonder dezelfde toxiciteiten of beperkingen.
Preklinische diermodellen voor RMS omvatten syngene, immunocompetente modellen en patiënt-afgeleide xenografts (PDX) in immuungecompromitteerde gastheren. Hoewel de immuungecompromitteerde modellen de groei van de menselijke tumoren mogelijk maken, missen ze de juiste tumormicro-omgeving en zijn ze beperkt in hun vermogen om immuunrespons te bestuderen24. FGFR4-activerende mutatie is een veelbelovende marker voor slechte prognose en een potentieel therapeutisch doelwit bij volwassen en pediatrische RMS 1,25. In de syngenetische RMS-modellen die in het Gladdy-lab zijn ontwikkeld, kunnen de tumoren groeien in een immunocompetente gastheer, die aangeboren en adaptieve immuunresponsen op de tumorontwikkelt 26. Omdat HT de immuunrespons beïnvloedt, is observatie van de verandering in de muizenimmuunrespons een waardevol voordeel van dit tumormodel. Om zowel de tumorrespons op TLD in vergelijking met FD te testen, als de verandering in de immuunrespons van de tumor op zowel chemotherapie als HT, werd een protocol ontwikkeld en gebruikt om syngenetische murine RMS-tumoren in vivo te behandelen met behulp van MRgHIFU en TLD, wat de focus van deze studie is.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het hierin ontwikkelde protocol werd gebruikt om achterpoottumoren aan te pakken met behulp van MRgHIFU voor milde HT-behandeling en ingekapselde geneesmiddelen uit liposomen in vivo vrij te geven. Tijdens de pilotstudie werden verschillende kritieke stappen in dit protocol aangetroffen en het optimaliseren van deze kritieke stappen was verantwoordelijk voor het verbeterde behandelingssucces ten opzichte van de pilotstudie. De eerste is de volledige verwijdering van het haar op het te soniceren gebied. Elke gasv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen graag onze financieringsbronnen voor dit project en het betrokken personeel erkennen, waaronder: C17 Research Grant, Canada Graduate Scholarship, Ontario Student Opportunity Trust Fund en James J. Hammond Fund.
Materials
| 1.5mL Eppendorf tubes | Eppendorf | 22363204 | |
| 1kb plus DNA Ladder | Froggabio | DM015-R500 | |
| 2x HS-Red Taq (PCR mix) | Wisent | 801-200-MM | |
| 7 Tesla MRI BioSpec | Bruker | T184931 | 70/30 BioSpec, Bruker, Ettlingen, Germany |
| C1000 Thermal cycler | Biorad | 1851148 | |
| Clippers | Whal Peanut | 8655 | |
| Compressed ultrasound gel | Aquaflex | HF54-004 | |
| Convection heating device | 3M Bair Hugger | 70200791401 | |
| Depiliatory cream | Nair | 61700222611 | Shopper's Drug Mart |
| DMEM | Wisent | 219-065-LK | |
| DNeasy extraction kit | Qiagen | 69504 | |
| DPBS | Wisent | 311-420-CL | |
| Drug injection system | Harvard Apparatus | PY2 70-2131 | PHD 22/2200 MRI compatible Syringe Pump |
| Eye lubricant | Optixcare | 50-218-8442 | |
| F10 Media | Wisent | 318-050-CL | |
| FBS | Wisent | 081-105 | |
| Froggarose | FroggaBio | A87 | |
| Gel Molecular Imager | BioRad | GelDocXR | |
| Glutamax | Wisent | 609-065-EL | |
| Heat Lamp | Morganville Scientific | HL0100 | Similar to this product |
| Intravascular Polyethylene tubing (0.015" ID x 0.043" OD, 20G) | SAI infusion | PE-20-100 | |
| Isoflurane | Sigma | 792632 | |
| M25FV24C Cell line | Gladdy Lab | N/A | |
| Microliter Syringe | Hamilton | 01-01-7648 | |
| Molecular Imager Gel Doc XR | Biorad | 170-8170 | |
| Mouse holder | The 3D printing material used was ABS-M30i, and it was printed on FDM Fortus 380mc machine | N/A | Dimensions: length = 43 mm, outer radius = 15 mm, inner width (where the mouse would sit) = 20.7 mm. |
| MyRun Machine | Cosmo Bio Co Ltd | CBJ-IMR-001-EX | |
| Nanodrop 8000 Spectrophotometer | Thermo Scientific | ND-8000-GL | |
| p53 primers | Eurofins | N/A | Custom Primers |
| PCR tubes | Diamed | SSI3131-06 | |
| Penicillin/Streptomycin | Wisent | 450-200-EL | |
| Proteus software | Pichardo lab | N/A | |
| Respiratory monitoring system | SAII | Model 1030 | MR-compatible monitoring and gating system for small animals |
| Small Bore HIFU device, LabFUS | Image Guided Therapy | N/A | LabFUS, Image Guided Therapy, Pessac, France Number of elements 8 frequency 2.5 MHz diameter 25 mm radius of curvature 20 mm Focal spot size 0.6 mm x 0.6 mm x 2.0 mm Motor: axes 2 Generator: Number of channels 8 Maximum electrical power/channel Wel 4 Maximum electrical power Wel 32 Bandwidth 0.5 – 5 MHz Control per channel: Freq., Phase and. amplitude Measurements per channel: Vrms, Irms, cos(theta) Duty Cycle at 100% power % 100% for 1 min. Transducer: Number of elements 8 frequency 2.5 MHz diameter 25 mm radius of curvature 20 mm Focal spot size 0.6 mm x 0.6 mm x 2.0 mm |
| SYBR Safe | ThermoFisher Scientific | S33102 | |
| TAE | Wisent | 811-540-FL | |
| Tail vein catheter (27G 0.5" ) | Terumo Medical Corp | 15253 | |
| Thermal probes | Rugged Monitoring | L201-08 | |
| Trypan blue | ThermoFisher Scientific | 15250061 | |
| Trypsin | Wisent | 325-052-EL | |
| Ultrasound Gel | Aquasonic | PLI 01-08 |
References
- Skapek, S. X., et al. Rhabdomyosarcoma. Nature Reviews Disease Primers. 5 (1), (2019).
- Ferrari, A., et al. Impact of rhabdomyosarcoma treatment modalities by age in a population-based setting. Journal of Adolescent and Young Adult Oncology. 10 (3), 309-315 (2021).
- . Pediatric rhabdomyosarcoma surgery: Background, anatomy, pathophysiology Available from: https://emedicine.medscape.com/article/939156-overview#a2 (2019)
- Ognjanovic, S., Linabery, A. M., Charbonneau, B., Ross, J. A. Trends in childhood rhabdomyosarcoma incidence and survival in the United States, 1975-2005. Cancer. 115 (18), 4218-4226 (2009).
- Mulrooney, D. A., et al. Cardiac outcomes in a cohort of adult survivors of childhood and adolescent cancer: retrospective analysis of the Childhood Cancer Survivor Study cohort. BMJ. 339, (2009).
- Lipshultz, S. E., Cochran, T. R., Franco, V. I., Miller, T. L. Treatment-related cardiotoxicity in survivors of childhood cancer. Nature Reviews Clinical Oncology. 10 (12), 697-710 (2013).
- Winter, S., Fasola, S., Brisse, H., Mosseri, V., Orbach, D. Relapse after localized rhabdomyosarcoma: Evaluation of the efficacy of second-line chemotherapy. Pediatric Blood & Cancer. 62 (11), 1935-1941 (2015).
- Wood, B. J., et al. Phase I study of heat-deployed liposomal doxorubicin during radiofrequency ablation for hepatic malignancies. Journal of Vascular and Interventional Radiology. 23 (2), 248-255 (2012).
- Bulbake, U., Doppalapudi, S., Kommineni, N., Khan, W. Liposomal formulations in clinical use: an updated review. Pharmaceutics. 9 (2), 12 (2017).
- Zagar, T. M., et al. Two phase I dose-escalation/pharmacokinetics studies of low temperature liposomal doxorubicin (LTLD) and mild local hyperthermia in heavily pretreated patients with local regionally recurrent breast cancer. International Journal of Hyperthermia. 30 (5), 285-294 (2014).
- . A phase I study of lyso-thermosensitive liposomal doxorubicin and MR-HIFU for pediatric refractory solid tumors Available from: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02536183 (2019)
- PanDox: targeted doxorubicin in pancreatic tumours (PanDox). University of Oxford Available from: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04852367 (2021)
- . Image-guided targeted doxorubicin delivery with hyperthermia to optimize loco-regional control in breast cancer (i-GO) Available from: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03749850 (2018)
- De Vita, A., et al. Lysyl oxidase engineered lipid nanovesicles for the treatment of triple negative breast cancer. Scientific Reports. 11 (1), 5107 (2021).
- Sapareto, S. A., Dewey, W. C. Thermal dose determination in cancer therapy. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 10 (6), 787-800 (1984).
- Kok, H. P., et al. Heating technology for malignant tumors: a review. International Journal of Hyperthermia. 37 (1), 711-741 (2020).
- Kokuryo, D., Kumamoto, E., Kuroda, K. Recent technological advancements in thermometry. Advanced Drug Delivery Reviews. 163, 19-39 (2020).
- Bongiovanni, A., et al. 3-T magnetic resonance-guided high-intensity focused ultrasound (3 T-MR-HIFU) for the treatment of pain from bone metastases of solid tumors. Support Care Cancer. 30 (7), 5737-5745 (2022).
- Seifert, G., et al. Regional hyperthermia combined with chemotherapy in paediatric, adolescent and young adult patients: current and future perspectives. Radiation Oncology. 11, 65 (2016).
- Dewhirst, M. W., Lee, C. -. T., Ashcraft, K. A. The future of biology in driving the field of hyperthermia. International Journal of Hyperthermia. 32 (1), 4-13 (2016).
- Dewhirst, M. W., Vujaskovic, Z., Jones, E., Thrall, D. Re-setting the biologic rationale for thermal therapy. International Journal of Hyperthermia. 21 (8), 779-790 (2005).
- Repasky, E. A., Evans, S. S., Dewhirst, M. W. Temperature matters! And why it should matter to tumor immunologists. Cancer Immunology Research. 1 (4), 210-216 (2013).
- Hijnen, N., et al. Thermal combination therapies for local drug delivery by magnetic resonance-guided high-intensity focused ultrasound. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (24), E4802-E4811 (2017).
- Shultz, L. D., et al. Human cancer growth and therapy in immunodeficient mouse models. Cold Spring Harbor Protocols. 2014 (7), 694-708 (2014).
- De Vita, A., et al. Deciphering the genomic landscape and pharmacological profile of uncommon entities of adult rhabdomyosarcomas. International Journal of Molecular Sciences. 22 (21), 11564 (2021).
- McKinnon, T., et al. Functional screening of FGFR4-driven tumorigenesis identifies PI3K/mTOR inhibition as a therapeutic strategy in rhabdomyosarcoma. Oncogene. 37 (20), 2630-2644 (2018).
- Zaporzan, B., et al. MatMRI and MatHIFU: software toolboxes for real-time monitoring and control of MR-guided HIFU. Journal of Therapeutic Ultrasound. 1, (2013).
- Dunne, M., et al. Heat-activated drug delivery increases tumor accumulation of synergistic chemotherapies. Journal of Controlled Release. 308, 197-208 (2019).
- Zhao, Y. X., Hu, X. Y., Zhong, X., Shen, H., Yuan, Y. High-intensity focused ultrasound treatment as an alternative regimen for myxofibrosarcoma. Dermatologic Therapy. 34 (2), 14816 (2021).
- Vanni, S., et al. Myxofibrosarcoma landscape: diagnostic pitfalls, clinical management and future perspectives. Therapeutic Advances in Medical Oncology. 14, 17588359221093973 (2022).
