磁共振引导的高强度聚焦超声产生热疗:小鼠横纹肌肉瘤模型中的可行治疗方法
January 13th, 2023
这里介绍的是一种协议，使用由磁共振引导的高强度聚焦超声产生的受控热疗来触发横纹肌肉瘤小鼠模型中温度敏感脂质体的药物释放。
该方案允许肿瘤靶向热疗与热敏药物联合进行新的临床前测试，可用于提高肉瘤患者的生存率并降低全身毒性。该技术的主要优点是化疗释放仅限于加热区域，最大化肿瘤内的药物释放，同时最小化药物在健康组织中的全身释放。我们的方法可以在临床上转化为治疗肉瘤。
此外，我们的工作是了解局部低温如何激发免疫系统，帮助身体在标准化疗的同时靶向癌症。展示该程序的将是Star创新中心的首席MRI物理学家Warren Foltz博士，病童医院的首席HIFU物理学家Adam Waspe博士和多伦多病童医院德雷克实验室应用科学硕士Suzanne Wong。开始使用剪刀剃除被约束的鼠标的后腿，并用70%乙醇擦拭。
使用微升注射器在10微升细胞悬液中吸出约10， 000个细胞。伸展鼠标的右后腿，并使用带有26号针头的微升注射器以稳定的运动将细胞悬液注射到大腿肌肉组织中。针头应平行于股骨朝膝盖插入，注意不要撞到坐骨神经。
取下针头并将鼠标放回第二个笼子。每天评估动物，并通过触诊监测它们的后肢肿瘤生长。使用MRI扫描仪对麻醉小鼠进行成像。
在 T2 加权图像上，注意平坦尺寸和肿瘤出现的轴向切片数。注意肿瘤相对于股骨和超声波进入的大腿侧表面的位置。要准备小口径HIFU系统，请打开发生器，将膜放在换能器上，并在换能器中填充足够的去离子水，直到膜在换能器下方膨胀。
但不要太硬，以至于它会压缩鼠标。对换能器电路中的水进行脱气 30 分钟，以去除介质中的溶解氧。麻醉小鼠并将其转移到鼻锥后，在眼睛上涂抹角膜润滑剂，以防止由于麻醉下缺乏眨眼反射而造成的损害。
剃掉鼠标的右后肢。在剃光区域（包括整个右后肢）涂抹脱毛膏。在生物安全柜中将鼠标放在加热灯下，以帮助进行热调节。
并在使用后一分钟去除头发和脱毛膏。将鼠标移动到MRI雪橇上的MRI兼容鼻锥上，并将鼠标置于非肿瘤轴承面朝下，并将肿瘤上部置于雪橇上的3D打印鼠标支架内。在鼠标附近放置加热灯以保持温暖。
如果需要，切成压缩的超声凝胶垫段，将鼠标衬里放在支架底部的底部，厚度使肿瘤水平到支架的顶部。将未受累的腿从肿瘤腿上塞开，要么在小鼠下方，要么在肿瘤腿弯曲的情况下伸展。确保脚不在肿瘤和超声束路径的近场或远场。
要插入食管温度探头，请将食管探头穿过鼻锥并擦拭小鼠的颈部。通过伸展头部，将鼠标的鼻子向上倾斜，从嘴巴直接到胃部形成一条线。将舌头上方的热探头滑入小鼠食道约 0.5 厘米，并更换小鼠鼻子周围的鼻锥。
将食管探头和鼻锥固定在雪橇顶部。接下来，插入直肠温度探头并用胶带固定。如果需要，插入另一个凝胶垫，并在右后肢周围涂抹眼睛润滑剂或超声波凝胶以填充任何间隙。
将 27 号蝶针尾静脉导管插入连接到带有 40 微升死区并牢固胶带的微管的侧尾静脉中。将带有连接电缆的呼吸监测器朝向鼠标头部，以免干扰超声换能器的放置，并用胶带固定。用两个人将准备好的鼠标、鼠标雪橇、麻醉线、呼吸线、尾静脉导管和热探头线带入 MRI 扫描仪，并将它们放入 MRI 雪橇支架中。
每个人都经过了筛选，没有任何东西被带入MR套件，这是铁磁性的，或者在系统的强磁场中可能被损坏。HIFU软件操作员将换能器的半月板直接移动到肿瘤上进行初始对齐后，将眼部润滑剂或脱气超声凝胶涂在肿瘤上方的无毛皮肤上，并将HIFU换能器耦合到肿瘤区域。将自动泵的给药管线连接到尾静脉导管，并计算尾静脉线和连接线中的死区量。
将MRI导轨上的鼠标HIFU滑板滑入MRI的中心，并将空气对流加热装置置于最温暖的设置上。将管子吹向MRI孔中心的鼠标，并用胶带固定。加热设备稍后将转到其最低设置，以防止在超声处理过程中鼠标过热。
获取轴向和矢状面的调查MR图像，以确定超声靶向的肿瘤位置，包括深度。使用HIFU软件相应地调整换能器位置，方法是在图像上插入测量的所需移动距离，然后单击箭头方向进行移动。另外，请注意漂移管的位置。
根据需要重复此操作。在测试注射测温采集期间，通过执行简短的50毫伏连续测试超声处理5秒钟来确定探头在角平面中焦点的位置。将 MR 测量图像与 HIFU 软件中焦点的视图对齐。
查看图像中肿瘤相对于骨结构和直肠的位置，并根据需要修改换能器位置。在九次重复热成像期间重复测试射击超声处理，以确认肿瘤体积中是否存在均匀准确的加热，并且脱靶加热最小。调整切片位置、传感器位置和转向深度，并在必要时通过重复测试镜头来确认加热性能。
使用HIFU处理监测软件，通过测量移动距离，然后在程序中改变网格坐标，定义最终加热曲线内温度监测的感兴趣区域或ROI。在漂移管的流体信号内设置ROI，以便对测温输出进行漂移校正。如果在肿瘤水平的轴向规划图像中没有很好地定义该流体信号，则漂移管内光纤温度探头的直接输出用于漂移校正。
根据直肠探头温度输入基线温度以进行测温。在软件中打开20分钟的热疗规格，并在收集参考MR图像并开始测温后开始超声处理。在热成像过程中，使用内置的比例积分微分（PID）控制器软件进行20分钟的处理。
在ROI中的温度升温至所需温度后1.5分钟注射所选药物。如果在治疗过程中直肠温度迅速升高并超过 40 摄氏度，请停止超声处理并让直肠温度下降，然后再重新开始。治疗完成后，将小鼠从MRI孔中取出，确保尾静脉导管插入部位止血并将其转移到生物安全柜中。
用水洗掉后腿上的超声波凝胶和润滑剂。将鼠标转移到笼子上并监控其恢复情况。将加热灯对准笼子的一端，以帮助在恢复过程中进行热调节。
使用这种热疗方案，后肢的肿瘤能够在治疗期间持续加热到所需的设定温度。代表性治疗期间监测的温度如图所示。此处显示了 ROI 中所有体素的平均前 10 个百分位数和前 90 个百分位数的温度。
在优化阶段以标准偏差测试每只小鼠ROI内处理期间的平均温度。还显示了整体平均温度。随着时间的推移，热疗的成功率也有所提高。
治疗成功与否取决于纳入标准。即全身温度，肿瘤温度和随ROI的变化，没有远端加热。在这里，蓝线表示治疗成功的小鼠百分比，橙色条表示治疗的小鼠数量。
每种处理都是指进行实验的单独日期。为了确定进一步研究的最佳低温治疗时间，测试了两种治疗持续时间，10分钟和20分钟。高效液相色谱和质谱（HPLC MS）用于评估肿瘤中阿霉素的量，并量化测试持续时间之间阿霉素积累的差异。
结果表明，与正常热疗对照相比，20分钟热敏脂质体阿霉素加热疗组肿瘤中阿霉素的含量具有显着意义。游离阿霉素组的肿瘤没有差异。在准备和定位砌块时，HIFU光束必须畅通无阻。
必须避免凝胶中的气泡或光束路径中的骨头。我们收集组织和血液以分析各种器官的药代动力学和毒性水平，并检查免疫系统对治疗的即时和延迟反应。
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概述
该协议允许对肿瘤靶向的高温疗法与温度敏感药物进行临床前测试，旨在改善肉瘤患者的生存率并减少毒性。该技术将化疗药物的释放限制在加热的肿瘤区域，最大化药物输送同时最小化全身暴露。
关键研究组成部分
科学领域
- 肿瘤学
- 治疗技术
- 药物输送系统
背景
- 可控的高温疗法可以增强温度敏感脂质体的药物释放。
- 局部治疗旨在改善肉瘤患者的预后。
- 了解免疫系统对局部低温的反应至关重要。
- 与MRI和HIFU专家的合作提高了协议开发。
研究目的
- 测试高温疗法与温度敏感化疗结合的效果。
- 在最大化肿瘤药物输送的同时最小化全身毒性。
- 探索癌症治疗中局部低温对免疫反应的影响。
所用方法
- 使用磁共振引导高强度聚焦超声（HIFU）。
- 应用温度敏感脂质体进行靶向药物释放。
- 在横纹肌肉瘤小鼠模型中进行临床前测试。
- 与MRI和HIFU技术专家合作。
主要结果
- 在加热的肿瘤区域实现了有效的药物释放。
- 全身药物暴露显著降低。
- 局部低温显示激活免疫反应的潜力。
- 结果支持肉瘤治疗的临床转化。
结论
- 该协议展示了一种有前景的肉瘤治疗方法。
- 局部高温疗法可以增强化疗的效果。
- 需要进一步的研究来探索免疫系统的相互作用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Magnetic resonance-guided high intensity focused ultrasound (MRgHIFU) enables precise, noninvasive hyperthermia for targeted drug release in preclinical oncology models. This approach supports predictive confidence in tumor-specific delivery of chemotherapeutics, addressing systemic toxicity and enhancing translational continuity for sarcoma therapies. The protocol's quantitative control and imaging integration position it as a strategic asset for early discovery and preclinical pipeline advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of tumor-specific drug release mechanisms using real-time temperature control.
- Supports biological de-risking by isolating hyperthermia effects on drug delivery and immune response.
- Facilitates predictive confidence in functional target engagement within disease-relevant models.
Screening & Assay Development
- Prepares validated murine models for quantitative assessment of localized drug release.
- Standardizes hyperthermia application and temperature monitoring for reproducible outputs.
- Enables reliable evaluation of thermosensitive formulations and their pharmacokinetics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant rhabdomyosarcoma models for translational biomarker studies.
- Provides continuity from discovery-stage validation to preclinical efficacy and toxicity assessment.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by quantifying tumor and systemic drug exposure.
Pipeline & Workflow Integration
This MRgHIFU-driven hyperthermia protocol integrates from early discovery through preclinical validation, enabling mechanistic de-risking and quantitative assessment of targeted drug delivery.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing for tumor-specific drug release and immune activation.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative temperature and drug accumulation readouts for assay development.
- Analytics: Provides HPLC-MS quantification of intratumoral drug levels and pharmacokinetic profiles.
- Translational Research: Bridges preclinical efficacy and toxicity data for sarcoma-relevant models.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating thermosensitive drug carriers and hyperthermia protocols.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in tumor-targeted drug delivery and immune modulation.
- Operational Value: Standardizes hyperthermia application and imaging-guided monitoring for reproducibility.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by quantifying localized versus systemic drug exposure.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of thermosensitive formulations and targeted delivery strategies.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MR imaging, HIFU operation, and quantitative pharmacokinetic analysis.
- Demands access to MRI-compatible animal handling and temperature monitoring infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of imaging, sonication, and drug administration protocols.
- Adaptation across tumor models may require protocol optimization for anatomical and thermal variables.
- Careful avoidance of beam path obstructions and precise temperature control are critical for reproducibility.
