Summary
Uso de Luminiscencia Cerenkov Imaging (CLI) para el control del tratamiento del cáncer preclínico se describe aquí. Este método aprovecha la radiación Cerenkov (CR) e imagen óptico (OI) para visualizar las sondas marcadas radiactivamente y por lo tanto proporciona una alternativa al PET en el seguimiento terapéutico preclínico y la detección de drogas.
Abstract
En la imagen molecular, tomografía por emisión de positrones (PET) y óptico de imágenes (OI) son dos de las modalidades 1-3 más importantes y por lo tanto utiliza más ampliamente. PET se caracteriza por su excelente sensibilidad y capacidad de cuantificación mientras OI se caracteriza por no-radiación, bajo costo relativo, la exploración en tiempo corto, de alto rendimiento, y la amplia disponibilidad a los investigadores básicos. Sin embargo, ambas modalidades tienen sus defectos también. PET sufre de pobre resolución espacial y alto coste, mientras que OI está limitado principalmente a aplicaciones preclínicos debido a su limitada penetración en el tejido junto con las señales de dispersión de prominentes óptica a través del espesor de los tejidos vivos.
Recientemente, un puente entre el PET y OI ha surgido con el descubrimiento de Luminiscencia Cerenkov Imaging (CLI) 4-6. CLI es una nueva modalidad de imagen que aprovecha la radiación Cerenkov (CR) para los radionucleidos de imagen con instrumentos de OI. Nobel ruso laureate Alekseyevich Cerenkov y sus colegas descubrieron CR originalmente en 1934. Es una forma de radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada viaja a una velocidad superluminal en un medio dieléctrico 7,8. La partícula cargada, si positrón o electrón, perturba el campo electromagnético del medio mediante el desplazamiento de los electrones en sus átomos. Después de pasar la interrupción de los fotones son emitidos como los electrones desplazados volver al estado fundamental. Por ejemplo, un 18 decaimiento F se calculó para producir un promedio de 3 fotones en agua 5.
Desde su aparición, la CLI se ha investigado para su uso en una variedad de aplicaciones incluyendo preclínicos en formación de imágenes de tumores in vivo, del gen de imágenes, radiotrazador desarrollo, multimodalidad de imágenes, entre otros 4,5,9,10,11. La razón más importante por la CLI ha disfrutado de mucho éxito hasta ahora es que esta nueva tecnología se aprovecha de la cooperación bajost y la amplia disponibilidad de OI a los radionucleidos de imagen, que se utilizan para obtener imágenes sólo por técnicas de imagen más caro y menos disponible nucleares tales como el PET.
A continuación, se presenta el método para utilizar CLI para supervisar el tratamiento del cáncer de drogas. Nuestro grupo ha investigado recientemente esta nueva aplicación y validado su viabilidad por un estudio de prueba de concepto 12. Hemos demostrado que la CLI y PET mostraron correlaciones excelentes a través de xenoinjertos de tumores diferentes y sondas de imagen. Esto es coherente con el principio general de que CR CLI esencialmente visualiza los radionucleidos mismas PET. Hemos seleccionado Bevacizumab (Avastin; Genentech / Roche) como nuestro agente terapéutico debido a que es un inhibidor de la angiogénesis conocido 13,14. La maduración de esta tecnología en el futuro próximo puede ser concebido para tener un impacto significativo en el desarrollo de fármacos preclínica, la detección, así como la monitorización de la terapia de los pacientes que reciben tratamientos.
Protocol
1. Modelo de tumor
- Cultura células H460 (American Type Culture Collection) en medio RPMI 1640 suplementado con suero fetal bovino al 10% y 1% de penicilina / estreptomicina (Invitrogen Life Technologies). Cabe señalar que la elección de líneas de células, medios de cultivo, la ubicación de la inoculación, el número de xenoinjertos por ratón, y otras consideraciones son todos que se adaptan a los objetivos de un estudio particular. Aquí sólo presentamos un diseño de proyecto específico para servir como una ilustración.
- Mantener líneas celulares en una atmósfera humidificada de 5% de CO 2 a 37 ° C y el cambio a un medio fresco cada dos días.
- Cuando una monocapa de 75% confluente de células se forma, separar la monocapa con tripsina y las células se disocian en una sola suspensión de células para el cultivo celular.
- Suspender aproximadamente 1 × 10 6 células H460 en salina tamponada con fosfato (PBS; Invitrogen) y el implante por vía subcutánea enhombros izquierdo y derecho de ratones desnudos (ratones hembra desnudos atímicos (nu / nu), 4 - 6 semanas de edad, Charles River Laboratories, Inc.).
- Permitir el crecimiento de tumores de 150 - 200 mm 3. Se tarda aproximadamente 2 semanas para xenoinjertos de tumor H460 creciendo a este tamaño. Estándar pinza de medición se lleva a cabo para realizar un seguimiento tamaños tumorales.
- Cuando los tumores alcanzan el tamaño ideal de los ratones portadores de tumores son ahora listo para el tratamiento y la visualización in vivo tanto a través de PET y CLI.
2. PET
- Lleve a cabo los estudios de PET de acuerdo con este programa o cualquier variación de la misma en función del proyecto específico (Figura 1) 12. Un número de factores pueden influir en el diseño de la programación, incluyendo, pero no limitado a, la elección de líneas tumorales de xenoinjertos de células, fármacos contra el cáncer y los regímenes de dosificación. Aquí sólo se presentará un programa de formación de imágenes específico. Los estudios de la CLI se realizó de acuerdo con lahorario mismos que los de los estudios de PET, con CLI realiza inmediatamente después de la PET correspondiente. Cabe también señalar aquí que el propósito de los estudios de PET es principalmente para la validación de los resultados de la CLI. Para los usuarios comunes que sólo desean utilizar instrumentos de OI para sondas de imagen radiomarcados, no es necesario PET. Sin embargo, si se realiza la validación de PET deseo hay que destacar que los instrumentos de PET y CLI debe estar ubicado, muy cerca de la validación de tener éxito debido a la corta vida media de 18 F (109,77 min).
- Divida a los ratones en grupos de tratamiento y control (n ≥ 3 cada uno). El tratamiento de ratones en el grupo de tratamiento con 2 inyecciones de bevacizumab de 20 mg / kg en los días 0 y 2. Día 0 se define por la primera inyección. Tenga en cuenta que en el Día -1 una exploración previa se debe realizar tanto a través de PET y CLI.
- De pequeños animales PET de ratones portadores de tumores se va a realizar con un escáner modelo R4 roedor (Siemens Medical Solutions EE.UU.Un Inc.,).
- Anestesiar todos los ratones con 2% de isoflurano (Aerrane, Baxter) y se inyecta con 3'-desoxi-3'-18 F-fluorotimidina (18 F-FLT; 7,3 a 8,0 MBq [198 a 215 Ci]) a través de la vena de la cola. La sonda de PET es para ser diluido en PBS antes de la inyección.
- Después de 1 h, se anestesian ratones de nuevo y colocar los ratones anestesiados propenso y cerca del centro del campo de visión del escáner PET de pequeños animales.
- Obtener tres minutos exploraciones estáticas y reconstruir las imágenes de un 2-dimensional ordenada subconjuntos algoritmo de máxima expectación. Corrección de fondo no es necesario.
- Dibuje las regiones de interés (ROIs, 5 píxeles para cortes coronales y transaxial) en los tumores en los corregidas caries de cuerpo entero imágenes coronales. Obtener las cuentas máximas por píxel por minuto a partir de las ROIs y convertir a los recuentos por mililitro por minuto mediante el uso de una constante de calibración. Con el supuesto de una densidad de tejido de 1 g / ml, convertir las ROIs a recuentospor gramo por minuto. Determinar la imagen ROI derivados de% ID / g valores dividiendo los recuentos por gramo por minuto por dosis inyectada. Corrección de la atenuación no es necesario.
3. CLI
- CLI es que se realiza con un sistema de espectro IVIS (Caliper Life Sciences). Adquisición y análisis de imágenes se llevó a cabo utilizando Living Image 3,0 software (Caliper Life Sciences). Longitud de onda, la imagen espectral se realiza utilizando un 18-conjunto de banda estrecha filtro de emisión (490 - 850 nm). Nuevamente, para cada ratón, inmediatamente después de realizar CLI PET para reducir al mínimo la cantidad de desintegración radiactiva si los estudios de PET están incluidos en el protocolo.
- Colocar los animales en una cámara hermética a la luz bajo anestesia isoflurano. Ratones múltiples se pueden colocar simultáneamente para aumentar el rendimiento.
- Adquirir imágenes con tiempo de exposición 3 min (f / stop = 1, hurgar en la basura = 4). Utilice los ajustes de iluminación mismas (tensión de la lámpara, filtros, f / stop, campos de visión, binning) para adquirir todas las imágenes. Utilice el área de piel dorsal para calcular la intensidad de la señal de fondo del tejido. Normalizar la emisión de fluorescencia de fotones por segundo por centímetro cuadrado por estereorradián (p / s / cm 2 / sr).
4. Los resultados representativos
La comparación visual entre CLI y las imágenes de PET puede llevarse a cabo fácilmente. Después de la unificación de la barra de escala a través de imágenes de la misma modalidad y lugar de CLI y PET imágenes lado a lado se puede ver en este panel representativo (Figura 2) que tanto CLI y PET revelaron señales de una disminución significativa de H460 xenoinjertos en ratones tratados de pre-tratamiento a 3 días, lo que sugiere un efecto terapéutico significativo. Como comparación, aumenta moderadamente a las señales sin cambios se observaron en los ratones no tratados durante el mismo período de tiempo (datos no mostrados). Por inspección visual solo se puede observar que existe una buena consistencia entre contrastes tumorales que son visualeszado desde CLI y PET. De hecho, esta correlación visual tiene suficiente resolución para mostrar necrosis central del tumor secundario al régimen de tratamiento contra el cáncer (por favor, comparar el CLI y las imágenes de PET a partir del día 3). Para validar los hallazgos de imagen cuantificaciones y análisis de correlación puede llevarse a cabo.
Cuantificaciones de CLI y las imágenes PET y un montaje sencillo mediante regresión lineal mostró que las dos modalidades de hecho tenía una excelente correlación (Figura 2 B, R 2 = 0,9309 para 18 F-FLT sondeado grupo de tratamiento). Cabe destacar que, en todos nuestros CLI y estudios de formación de imágenes de PET con diferentes modelos de tumores y diferentes fármacos anticancerígenos las pendientes de los ajustes son también muy cerca, lo que sugiere un excelente ajuste de regresión lineal incluso de todos los datos se conglomerado (datos no mostrados). Ambas imágenes representativas son una adaptación de nuestra publicación anterior 12.
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Figura 1. Esquema del diseño experimental de los estudios de PET y CLI. Los tumores se implantaron bilateralmente en la región del hombro y se dejó crecer a 150-200 mm 3, y ratones portadores de tumores fueron sometidos a formación de imágenes in vivo a través de PET y CLI en día -1, 1, y 3. Bevacizumab tratamiento se realizó mediante 2 inyecciones de 20 mg / kg en los días 0 y 2.
Figura 2. (A) En vivo CLI y las imágenes de PET de ratones con H460 xenoinjertos tratados con Bevacizumab antes del tratamiento (pre-scan) y después del tratamiento (día 3). (B) correspondiente análisis cuantitativo de la CLI y PET resultados (n = 3) y sus correlaciones. Imágenes adaptado de (6).arge.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ampliar la figura.
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Discussion
CLI se está convirtiendo en una técnica de imagenología molecular prometedora que se ha encontrado en muchas potenciales aplicaciones básicas de investigación en ciencias e incluso el uso clínico 4,5,15,16,17. Las principales ventajas de la CLI sobre las tradicionales modalidades de imágenes nucleares como madre de PET de la utilización de instrumentos de OI, que son más fáciles de usar, que se caracteriza por el tiempo de adquisición a corto y alto rendimiento, mucho menos costosas y más accesibles a los investigadores. Además, lo que diferencia CLI aparte de OI, en general, es el uso de β-emisores de moléculas marcadas como sondas de imágenes, muchas de las cuales han sido aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), a diferencia de los agentes de OI. Con estas cualidades únicas y deseables, CLI se ha convertido rápidamente llamó la atención desde el campo de la imagen molecular. Sin embargo, su potencial en aplicaciones preclínicos y clínicos aún no se han investigado lo suficiente.
Monitoreo del cáncer de la terapia es una de las áreasdonde CLI puede tener alguna utilidad significativa. Es un área muy importante que es la clave para el desarrollo de la sonda, la detección de drogas y tratamiento, incluso la adaptación de cáncer para los pacientes. En la actualidad, el cáncer preclínico monitoreo de la terapia se lleva a cabo casi exclusivamente a través de técnicas de imagen nuclear como el PET. Por lo tanto CLI ofrece una alternativa muy atractiva para PET, especialmente teniendo en cuenta que existe una excelente correlación entre las imágenes de la CLI y el PET. Sin embargo, otra ventaja de la CLI para monitorización de la terapia está en el hecho de que puede CLI imagen no sólo β +-emisores, sino también β - emisores tales como P 32, 90 Y, y 131 I, todos los cuales son clínicamente relevantes.
Sin embargo, CLI no está exenta de defectos. La dependencia de OI instrumentos dicta que CLI adolece de algunos inconvenientes que son intrínsecos a formación de imágenes ópticas tales como la atenuación de señal y dispersión en los tejidos vivos. Además, el espectro particular deCR también da lugar a una intensidad de señal limitada y, posteriormente, más profunda es la señal desde la superficie del cuerpo, la menor sensibilidad, y el más pobre es la capacidad de cuantificación 6. Sin embargo, mientras que los defectos pueden ser vistos a ser significativo, uno puede evitar en gran parte estos obstáculos en la investigación preclínica mediante el empleo de pequeños animales tales como ratones. Más importante aún, hay por lo menos un par de áreas clínicas que pueden beneficiarse potencialmente de monitoreo CLI terapia del cáncer. Seguimiento de las entidades superficiales enfermedades dermatológicas tales como afecciones inflamatorias y cáncer puede servir como un buen ejemplo. Además, las entidades patológicas que se profunda pero accesible por el dispositivo de acoplamiento de carga o de fibra óptica basados en técnicas puede utilizar la excelente sensibilidad y capacidad de cuantificación de CLI. Sin embargo, otra posibilidad interesante consiste en utilizar CLI para ayudar a los cirujanos obtener información anatómica y funcional sobre los tumores en la sala de operaciones. Dos recientes pruebas de concepto stutroqueles han demostrado la detección y resección de tumores en ratones con gracias intraoperatorias orientación de imagen a la CLI 18,19.
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
Reconocemos el apoyo del Instituto Nacional del Cáncer (NCI) R01 CA128908 y Stanford Medical Research Scholar Fellowship. Ningún otro conflicto de intereses pertinentes a este artículo se informó.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| H460 Cell Line | American Type Culture Collection | ATCC Number: HTB-177 | |
| RPMI 1640 Medium | Invitrogen Life Technologies | 12633-012 | |
| Fetal Bovine Serum | Invitrogen Life Technologies | 10091-148 | |
| Penicillin/Streptomycin | Invitrogen Life Technologies | 15640-055 | |
| Phosphate-Buffered Saline | Invitrogen Life Technologies | 10010-023 | |
| Female Athymic Nude Mice | Charles River Laboratories, Inc. | Strain Code: 088 | |
| Bevacizumab (Avastin) | Genentech/Roche | N/A | |
| MicroPET Rodent R4 | Siemens Medical Solutions USA, Inc. | N/A | |
| Isoflurane (Aerrane) | Baxter | Baxter Number: AHN3637 | |
| IVIS Spectrum | Caliper Life Sciences | N/A |
References
- Weissleder, R., Mahmood, U.
- Chen, K., Chen, X. Positron emission tomography imaging of cancer biology: current status and future prospects. Semin. Oncol. 38 (1), 70 (2011).
- Solomon, M., Liu, Y., Berezin, M. Y., et al. Optical imaging in cancer research: basic principles, tumor detection, and therapeutic monitoring. Med. Princ. Pract. 20 (5), 397 (2011).
- Liu, H., Ren, G., Miao, Z., et al. Molecular Optical Imaging with Radioactive Probes. PLoS One. 5 (3), e9470 (2010).
- Robertson, R., Germanos, M. S., Li, C., et al. Optical imaging of Cerenkov light generation from positron-emitting radiotracers. Phys. Med. Biol. 54 (16), N355 (2009).
- Xu, Y., Liu, H., Cheng, Z. Harnessing the power of radionuclides for optical imaging: Cerenkov luminescence imaging. J. Nucl. Med. 52 (12), 2009 (2011).
- Cerenkov, P. Visible emission of clean liquids by action of g-radiation. Dokl Akad Nauk SSSR. 2, 451 (1934).
- Cerenkov, P. A. Visible radiation produced by electrons moving in a medium with velocities exceeding that of light. Phys Rev. 52 (4), 0378 (1937).
- Boschi, F., Calderan, L., D'Ambrosio, D., et al. In vivo 18F-FDG tumour uptake measurements in small animals using Cerenkov radiation. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 38 (1), 120 (2011).
- Liu, H., Ren, G., Liu, S., et al. Optical imaging of reporter gene expression using a positron-emission-tomography probe. J. Biomed. Opt. 15 (6), 060505 (2010).
- Park, J. C., Yu, M. K., An, G. I., et al. Facile preparation of a hybrid nanoprobe for triple-modality optical/PET/MR imaging. Small. 6 (24), 2863 (2010).
- Xu, Y., Chang, E., Liu, H., et al. Proof-of-concept study of monitoring cancer drug therapy with cerenkov luminescence imaging. J. Nucl. Med. 53 (2), 312 (2012).
- Ellis, L. M.
- Hochster, H. S. Bevacizumab in combination with chemotherapy: first-line treatment of patients with metastatic colorectal cancer. Semin. Oncol. 33, Suppl 5 . 10. (2006).
- Dothager, R. S., Goiffon, R. J., Jackson, E., et al. Cerenkov radiation energy transfer (CRET) imaging: a novel method for optical imaging of PET isotopes in biological systems. PLoS One. 5 (10), e13300 (2010).
- Hu, Z., Liang, J., Yang, W., et al. Experimental Cerenkov luminescence tomography of the mouse model with SPECT imaging validation. Opt. Express. 18 (24), 24441 (2010).
- Park, J. C., Il An, G., Park, S. I., et al. Luminescence imaging using radionuclides: a potential application in molecular imaging. Nucl. Med. Biol. 38 (3), 321 (2011).
- Holland, J. P., Normand, G., Ruggiero, A., et al. Intraoperative imaging of positron emission tomographic radiotracers using Cerenkov luminescence emissions. Mol. Imaging. 10 (3), 177 (2011).
- Intraoperative imaging of tumors using Cerenkov luminescence endoscopy: a feasibility experimental study. J. Nucl. Med. Liu, H., Carpenter, C. M., Jiang, H., et al. , (2012).
