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Methodenartikel

Cerenkov Lumineszenz Imaging (CLI) for Cancer Therapy Überwachung

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DOI:

10.3791/4341

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13. November 2012

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1Department of Radiology and Bio-X Program Canary Cancer at Stanford for Cancer Early Detection, Stanford University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Verwendung von Cerenkov Lumineszenz Imaging (CLI) für die Überwachung der präklinischen Behandlung von Krebs wird hier beschrieben. Diese Methode nutzt die Vorteile der Cerenkov Strahlung (CR) und optische Bildgebung (OI) an radioaktiv markierten Sonden visualisieren und stellt somit eine Alternative zu PET in der präklinischen therapeutische Überwachung und Wirkstoff-Screening.

Zusammenfassung

In der molekularen Bildgebung sind Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Abbildungsoptik (OI) zwei der wichtigsten und am häufigsten verwendeten somit Modalitäten 1-3. PET zeichnet sich durch seine hervorragende Empfindlichkeit und Quantifizierung Fähigkeit, während OI zeichnet für Nicht-Strahlung, relativ niedrige Kosten, kurze Scanzeit, hohen Durchsatz und breite Verfügbarkeit, bis zum Grundlagenforscher aus. Allerdings haben beide Modalitäten ihrer Mängel als gut. PET leidet schlechte räumliche Auflösung und hohen Kosten, während OI ist vor allem auf präklinischen Anwendungen aufgrund ihrer begrenzten Eindringen in das Gewebe zusammen mit prominenten Streuung optischer Signale durch die Dicke von lebendem Gewebe beschränkt.

Kürzlich wurde eine Brücke zwischen PET und OI wurde mit der Entdeckung der Cerenkov Lumineszenz Imaging (CLI) 4-6 entstanden. CLI ist ein neues bildgebendes Verfahren, das Cerenkov Strahlung (CR) nutzt, um Bild Radionuklide mit OI Instrumente. Russische Nobel laureate Alexejewitsch Cerenkov und seine Kollegen ursprünglich entdeckt CR 1934. Es ist eine Form von elektromagnetischer Strahlung emittiert werden, wenn ein geladenes Teilchen bewegt sich mit einer Geschwindigkeit superluminalen in einem dielektrischen Medium 7,8. Das geladene Teilchen, ob Positronen oder Elektronenstrahlen, stört das elektromagnetische Feld des Mediums durch Verschieben der Elektronen in seiner Atome. Nach dem Passieren der Unterbrechung Photonen emittiert als die verdrängten Elektronen in den Grundzustand zurückzukehren. Zum Beispiel wurde ein 18 F Zerfall schätzungsweise durchschnittlich 3 Photonen in Wasser 5 herzustellen.

Seit ihrer Entstehung hat CLI für seine Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich präklinischen in vivo Tumordarstellung, Reportergens Bildgebung Radiotracers Entwicklung, multimodale Bildgebung unter anderem 4,5,9,10,11 untersucht. Der wichtigste Grund, warum CLI viel Erfolg genossen hat, so weit ist, dass diese neue Technologie zu Nutze macht die geringe Zusammenarbeitst und breite Verfügbarkeit von OI Bild Radionuklide, die nur durch teurere und weniger verfügbar nukleare Bildgebungsverfahren wie PET abgebildet werden verwendet.

Hier präsentieren wir die Methode der Verwendung von CLI, um Krebs medikamentöse Therapie zu überwachen. Unsere Gruppe hat vor kurzem diese neue Anwendung untersucht und validiert die Machbarkeit von einem Proof-of-Concept-Studie 12. Wir haben gezeigt, dass CLI und PET ausgezeichnete Korrelationen zeigten in verschiedenen Tumorxenotransplantaten und Imaging-Sonden. Dies steht im Einklang mit dem übergeordneten Prinzip der CR, dass CLI wesentlichen visualisiert die gleichen Radionuklide als PET. Wir haben uns für Bevacizumab (Avastin, Genentech / Roche) als unser therapeutisches Mittel, weil es eine bekannte Angiogenese-Hemmer 13,14 ist. Reifung dieser Technologie in der nahen Zukunft kann sich vorstellen, einen signifikanten Einfluss auf die präklinischen Entwicklung, Screening sowie Therapie-Monitoring der Patienten, die Behandlungen haben werden.

Protokoll

Ein. Tumormodell

  1. Kultur H460-Zellen (American Type Culture Collection) in RPMI 1640 Medium mit 10% fetalem Rinderserum und 1% Penicillin / Streptomycin (Invitrogen Life Technologies) ergänzt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Auswahl von Zelllinien, Kulturmedien, Standorte der Inokulation Anzahl von Xenotransplantaten pro Maus und anderen Erwägungen alle zu den Zielen der Studie einer bestimmten zugeschnitten werden sollen. Hier werden wir nur präsentieren ein bestimmtes Projekt Design als Illustration dienen.
  2. Pflegen Zelllinien in einer befeuchteten Atmosphäre von 5% CO 2 bei 37 ° C und Veränderung auf frisches Medium jeden zweiten Tag.
  3. Wenn ein 75% konfluente Monoschicht von Zellen gebildet wird, lösen die Monoschicht mit Trypsin und distanzieren Zellen in eine Einzelzell-Suspension für weitere Zellkultur.
  4. Auszusetzen ungefähr 1 × 10 6 H460 Zellen in Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung (PBS; Invitrogen) und Implantat subkutan indie linken und rechten Schultern des nackten Mäusen (weiblich athymische Nacktmäuse (nu / nu), 4 - 6 Wochen alt, Charles River Laboratories, Inc.).
  5. Lassen Tumoren auf 150 wachsen - 200 mm 3. Es dauert etwa 2 Wochen für H460 Tumorxenotransplantaten auf diese Größe zu wachsen. Standard Bremssattel Messung erfolgt nach Tumorgrößen verfolgen durchgeführt.
  6. Wenn Tumore die ideale Größe der Tumor tragenden Mäusen sind nun bereit für die Behandlung und in-vivo-Bildgebung sowohl über PET und CLI zu erreichen.

2. PET

  1. Führen Sie die PET-Untersuchungen nach diesem Zeitplan oder eine Variation davon abhängig vom konkreten Projekt (Abbildung 1) 12. Eine Anzahl von Faktoren können Einfluß auf die Gestaltung des Zeitplans, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, die Wahl der Tumorxenotransplantat Zelllinien, Antikrebsmittel und Dosierungsschemata begrenzt. Hier werden wir nur präsentieren eine spezifische Bildgebung Zeitplan. Die CLI-Studien sind nach der durchgeführt werdengleichen Zeitplan wie die der PET-Studien mit CLI durchgeführt unmittelbar nach dem entsprechenden PET. Es sollte auch beachtet werden, dass hier der Zweck der PET-Studien hauptsächlich für die Validierung der Ergebnisse CLI ist. Für normale Benutzer, die gerade wollen OI Instrumente für die Bildgebung radioaktiv markierten Sonden zu verwenden, ist keine PET notwendig. Allerdings, wenn ein Wunsch PET Validierung tut es sollte betont werden, dass PET und CLI Instrumente in unmittelbarer Nähe zur Validierung muss entfernt werden, damit aufgrund der kurzen Halbwertszeit von 18 F (109,77 min) erfolgreich zu sein.
  2. Teilen Sie Mäuse in Behandlungs-und Kontrollgruppen (n ≥ 3 Stück). Saures Mäuse in der Behandlungsgruppe mit zwei Injektionen von Bevacizumab von 20 mg / kg an den Tagen 0 und 2. Tag 0 durch die erste Einspritzung definiert. Beachten Sie, dass an Tag -1 a Vorabtastung über beide PET und CLI durchgeführt werden.
  3. Kleintier-PET von Tumor-tragenden Mäusen mit einem R4 Nagermodell Scanner (Siemens Medical Solutions USA durchgeführt werdenA, Inc.).
  4. Anästhesieren alle Mäuse mit 2% Isofluran (Aerrane; Baxter) und injizieren mit 3'-Desoxy-3'-fluorthymidin-18 F (18 F-FLT; 7,3 bis 8,0 MBq [198 bis 215 uCi]) über die Schwanzvene. Das PET-Sonde ist, um vor der Injektion in PBS verdünnt werden.
  5. Nach 1 Stunde, betäuben Mäusen wieder und stellen narkotisierten Mäusen neigen und in der Nähe der Mitte des Sichtfeldes der Kleintier-PET-Scanner.
  6. Erhalten dreiminütigen statischen Scans und rekonstruieren die Bilder durch einen 2-dimensionalen geordneten Teilmengen-Erwartung maximale Algorithmus. Hintergrund Korrektur nicht erforderlich ist.
  7. Zeichnen Regions of Interest (ROIs; 5 Pixel für koronalen und transaxial Scheiben) über den Tumoren auf den Zerfall korrigiert Ganzkörper-koronalen Bildern. Erhalten der maximalen Zählwerte pro Pixel pro Minute von der ROIs und Konvertieren in Zählungen pro Milliliter pro Minute durch die Verwendung einer Eichkonstante. Unter der Annahme eines Gewebes Dichte von 1 g / ml, wandeln die ROIs um Zählungenpro Gramm pro Minute. Bild bestimmen ROI-derived% ID / g Werten durch Dividieren Zählungen pro Gramm pro Minute durch injizierten Dosis. Schwächungskorrektur ist nicht notwendig.

3. CLI

  1. CLI ist mit einem IVIS Spectrum System (Caliper Life Sciences) durchgeführt werden. Erfassung und Analyse von Bildern sind durchgeführt werden, indem Wohnfläche Image 3.0 Software (Caliper Life Sciences). Wellenlängen aufgelösten spektralen Bildgebung ist es, unter Verwendung eines 18-set schmalbandige Emission Filter (490 - 850 nm) werden. Wiederum für jede Maus, führen CLI unmittelbar nach PET, um die Menge des radioaktiven Zerfalls zu minimieren, wenn die PET-Studien in dem Protokoll enthalten sind.
  2. Platzieren Tiere in einer lichtdichten Kammer unter Isofluran-Narkose. Mehrere Mäuse können gleichzeitig platziert werden, um den Durchsatz zu erhöhen.
  3. Erwerben Sie Bilder mit 3 min Belichtungszeit (f / Stop = 1, Binning = 4). Verwenden Sie die gleiche Beleuchtung Einstellungen (Lampenspannung, Filter, f / stop, Sichtfelder, binning) zum Erwerb sämtlicher Bilder. Verwenden Sie die dorsale Hautpartie um die Signalintensität Hintergrund Gewebe berechnen. Normalisieren Fluoreszenzemission Photonen pro Sekunde pro Zentimeter pro Steradiant (p / s / cm 2 / sr) quadriert.

4. Repräsentative Ergebnisse

Visuellen Vergleich zwischen CLI und PET-Bilder können leicht durchgeführt werden. Nach Vereinheitlichung der Maßstab auf Bilder von derselben Modalität und Ort CLI-und PET-Bilder nebeneinander kann man in diesem repräsentativen Panel (2A), dass sowohl CLI und PET deutlich zurückgegangen Signale von H460 Xenotransplantate in behandelten Mäusen von der Vorbehandlung ergab sehen bis Tag 3, was darauf hindeutet signifikanten therapeutischen Effekt. Als Vergleich wurden mäßig bis unverändert Signalen erhöht in unbehandelten Mäusen während der gleichen Zeitperiode (Daten nicht gezeigt) beobachtet. Durch visuelle Inspektion allein kann man beobachten, dass es eine gute Konsistenz zwischen Tumor Kontraste, die visuell sindIzed von CLI und PET. In der Tat hat diese visuelle Korrelation ausreichende Auflösung der zentralen Nekrose des Tumors zweitrangig gegenüber der Anti-Krebs-Therapie (Bitte vergleichen Sie die CLI-und PET-Bilder von Tag 3) zeigen. Um die bildgebende Befunde Quantifizierungen validieren und Korrelationsanalyse durchgeführt werden kann.

Quantifizierungen von CLI und PET-Bilder und eine einfache Montage durch lineare Regression ergab, dass die zwei Modalitäten Tat hatte eine ausgezeichnete Korrelation (2B, R 2 = 0,9309 für die 18 F-FLT sondiert Behandlungsgruppe). Bemerkenswert ist, in all unserer CLI-und PET-Bildgebung mit verschiedenen Tumor-Modellen und anderen Krebsmedikamenten die Steigungen der Anfälle sind auch bemerkenswert nahe, was darauf hindeutet, eine hervorragende Passform der linearen Regression sogar aller Daten conglomerated (Daten nicht gezeigt). Beide repräsentative Bilder von unserem früheren Veröffentlichung 12 angepasst.

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Abbildung 1. Schematische Darstellung des experimentellen Design von PET und CLI Studien. Tumoren wurden bilateral im Schulterbereich implantiert und läßt auf 150-200 mm 3 wachsen und tumortragenden Mäuse wurden in vivo Bildgebung mittels PET und CLI unterworfen am Tag -1, 1, und 3. Bevacizumab Behandlung wurde durch zwei Injektionen von 20 mg / kg an den Tagen 0 und 2 durchgeführt wird.

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Abbildung 2. (A) In-vivo-CLI und PET-Bilder von Mäusen, die mit H460 Xenotransplantate Bevacizumab vor der Behandlung (Pre-Scan) und nach Behandlung (Tag 3) behandelt. (B) entsprechende quantitative Analyse von CLI und PET Ergebnisse (n = 3) und ihre Korrelationen. Bilder von (6) angepasst ist.arge.jpg "target =" _blank "> Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen.

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Diskussion

CLI wird als vielversprechender molekulare Bildgebung Technik, Potenziale gefunden hat in vielen Grundlagenforschung Anwendungen und sogar den klinischen Einsatz 4,5,15,16,17 Schwellenländern. Die wichtigsten Vorteile von CLI über traditionelle nukleare Bildgebungsverfahren wie PET Stammzellen aus der Verwendung von OI Instrumente, die einfacher zu bedienen sind, durch kurze Messzeit und hoher Durchsatz gekennzeichnet, deutlich günstiger und besser verfügbar für Forscher. Darüber, was setzt CLI abgesehen von ...

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Offenlegungen

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Danksagungen

Wir danken für die Unterstützung aus dem National Cancer Institute (NCI) R01 CA128908 und Stanford Medical Scholar Research Fellowship. Kein anderer potenzieller Interessenkonflikt relevanten zu diesem Artikel berichtet wurde.

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Materialien

Name Unternehmen Katalog-Nummer
H460 Cell Line American Type Culture Collection ATCC-Nummer: 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 Nacktmausmodell Charles River Laboratories, Inc. Strain Code: 088
Bevacizumab (Avastin) Genentech / Roche N / A
MicroPET Rodent R4 Siemens Medical Solutions USA, Inc. N / A
Isofluran (Aerrane) Baxter Baxter-Nummer: AHN3637
IVIS Spectrum Caliper Life Sciences N / A

Referenzen

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