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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Das Glioblastom ist der häufigste und aggressive primäre Gehirn Malignität bei Erwachsenen, mit die meisten Tumoren nach der Erstbehandlung wiederkehrende. Behandlung von Felder (auf) Tumortherapie ist die neueste Behandlungsmethode für Glioblastom. Hier beschreiben wir die ordnungsgemäße Anwendung des auf-Transducer-Arrays auf Patienten und Theorie und Aspekte der Behandlung zu besprechen.
Glioblastom ist die am weitesten verbreitete und tödliche Form von Hirntumoren, eine mediane Überlebenszeit von 15 Monaten nach der Diagnose mit einer 5-Jahres-Überlebensrate von nur 5 % mit aktuellen Behandlungsstandard. Tumoren wiederkehren oft innerhalb von 9 Monaten nach der ersten Operation, Bestrahlung und Chemotherapie, an welcher Stelle Behandlungsmöglichkeiten begrenzt werden. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit für die Entwicklung besserer Therapeutika zu überleben zu verlängern und die Lebensqualität dieser Patienten zu erhöhen.
Tumor-Behandlung von Felder (auf)-Therapie wurde entwickelt, um die Wirkung der niederfrequente elektrische Wechselfelder auf Zellen für die Therapie zu nutzen. Auf wurden nachgewiesen, um Zellen während der Mitose und langsamen Tumorwachstum zu stören. Auch wächst dort Beweise, die sie durch anregende immune Antworten in exponierten Tumoren handeln. Auf Therapie Vorteile seiner nicht-invasive Ansatz und Steigerung der Lebensqualität im Vergleich zu anderen Behandlungsmethoden wie z. B. zytotoxische Chemotherapien. Die Food and Drug Administration genehmigt auf Therapie für die Behandlung von wiederkehrenden Glioblastom in 2011 und für neu diagnostiziertem Glioblastom im Jahr 2015. Wir berichten über die Auswirkungen der auf während der Mitose, die Ergebnisse der elektrische Felder modellieren und richtige Wandler Array Platzierung. Unser Protokoll beschreibt die klinische Anwendung auf auf einen Patienten nach der Operation, mit der zweiten Generation Gerät.
Glioblastom
Das Glioblastom ist der häufigste primäre bösartigen Hirntumor bei Erwachsenen. Aufgrund seiner Eigenschaften als ein zytologisch bösartiger, mitotically aktiv, Angiogenically proliferative und Nekrose neigende Neoplasma in der Regel verbunden mit schnellen Prä- und postoperative Seuchenentwicklung und tödlichem Ausgang in der Nähe von Universal, der Weltgesundheitsorganisation Organisation Glioblastom als ein Grad IV Neoplasma1bezeichnet. Trotz der Bemühungen der Grundlagen- und translationalen Forschung gibt es keine kurative Behandlung für Glioblastom. Die 5-Jahres-Überlebensrate von Patienten mit Glioblastom bleibt ca. 5 %, die dringende Notwendigkeit wirksamer therapeutischer Interventionen2.
Mechanismen der Tumor Behandlung von Feldern: elektrisches Feld
Auf niedriger Intensität, Mittelstufe-Frequenz (100-300 kHz) elektrische Wechselfelder, die Tumor-tragenden Gewebe durchdringen und entstehen durch isolierte Elektroden eingehalten werden extern der Patient Haut3. Auf werden gedacht, um biologische Prozesse von Tumorzellen stören durch elektromagnetische Kräfte auf intrazelluläre Moleküle mit hoher Dipolmomente während der Mitose ausüben. Auf Exposition während der Mitose führte aberranten mitotischen Ausfahrt führt zu abnorme Chromosom Segregation, zelluläre Multinucleation und Caspase-abhängigen Apoptose von Tochterzellen4. Diese Effekte wurden Frequenz angewiesen und abhängig von der Einfallsrichtung des Feldes mit Bezug auf die mitotischen Platten der betroffenen Zellen. Die Zellen mit mitotischen Platten senkrecht zu den Bereichen ausgestellt die größte schwere Schäden. Der mittleren Frequenzbereich ist einzigartig, weil es einen Übergangsbereich in dem Stärke des intrazellulären elektrischen Feldes, die bei niedrigeren Frequenzen abgeschirmt ist bildet,5erhöht. Der Schwellenwert, an dem diese Erhöhung erfolgt, hängt von den dielektrischen Eigenschaften der Zellmembran5. Gliom-Zellen ist die optimale Frequenz auf in Bezug auf beiderlei Zellen in Kultur und klonogenen Assays 200kHz6.
Mit Patienten-spezifischen MRT-Messungen kann eine individuelle Zuordnung von elektrischen Feldern entwickelt werden, durch den Einbau von Volumen, elektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätszahl von verschiedenen Gewebestrukturen in der Gehirn-7,-8. Darüber hinaus kann ein End-to-End, semi-automatische Segmentierung-basierten Workflow auch genutzt werden, um eine personalisierte finite-Elemente-Modell für die Abgrenzung von intrakraniellen auf9zu generieren. Elektrische Felder Karten zeigen die Verteilung der elektrischen Felder im Gehirn Patienten möglicherweise Dienstprogramm zur Führung optimale Platzierung der Wandler Arrays Feldstärke im Tumor zu maximieren.
Mechanismen der Tumor Behandlung von Feldern: Zellbiologie
Die genauen Mechanismen auf mitotischen Störungen vorbeifahren sind nicht vollständig verstanden, aber zwei mögliche Mechanismen, die durch die elektrischen Felder Mitose beeinflussen können sind vorgeschlagen worden. Das elektrische Feld direkte Aktion auf Proteine beinhaltet mit hoher Dipolmomente, wodurch ihre funktionelle Störung; Das zweite ist Dielektrophorese von Ionen, verursacht eine Mislocalization der Ionen innerhalb der teilenden Zelle die cytokinetic Furche Ingression3beeinträchtigen könnten. Zwei Proteine mit hoher Dipolmomente wurden als Ziele, α/β-Tubulin Monomeren und Septin-2, 6, 7 Heterotrimer mit Dipolmomente 1740 D10 und 2771 D11, bzw. vorgeschlagen. Es wurde vermutet, dass sich auf das Verhältnis zwischen polymerisierten und total Tubulin, richtige mitotischen Spindel Baugruppe zu verhindern und sind die Zellen beim Übergang von der Metaphase zur Anaphase4verringern. Zellen, auf normale Progression bis Metaphase zeigen, aber dann reduzierten Septin Lokalisierung in der Anaphase-Spindel-Mittellinie und cytokinetic Furche11aufweisen. Die Zellen durchlaufen unkontrollierte Membran Blebbing, die zu abweichenden mitotischen Ausfahrt12führt. Die resultierenden Post-mitotischen Zellen weisen abnorme nuklearen Architektur wie Mikrokerne, Zeichen der zellulären Stress und ein Rückgang der Zellproliferation einschließlich G0 Verhaftung gefolgt von Apoptose11insgesamt. Forschung hat eine Up-Regulation in Calreticulin und Sekretion von HMGB1 in behandelt auf Zellen, beide Kennzeichen von immunogen Zelle Tod13,14gezeigt. Kirson Et Al. zeigten Behandlung von Tumoren verringert das metastatische Potential und die Metastasen innerhalb auf behandelten Tiere zeigten eine Zunahme CD8 + Zellen15. Zusammen, leitet diese Daten unterstützen ein Wirkmechanismus, der über direkte Auswirkungen auf die Mitose, und wahrscheinlich hinausgeht Antitumor-Entzündungsreaktionen.
Auf Gerät und Behandlung Optionen
Beide ersten und zweiten Generation auf Geräte liefern elektrische Wechselfelder des Gehirns Supratentorial für die Behandlung des Glioblastoms. Das Gerät wurde zuerst genehmigt durch die FDA für die Behandlung von Patienten mit wiederkehrenden Glioblastom im Jahr 2011 und 2015 für die Behandlung von Patienten mit neu diagnostiziertem Glioblastom16,17genehmigt. Glioblastom-Behandlung sollte in einem multimodalen Mode mit neurochirurgischen Intervention, Strahlung Onkologie Input und Chemotherapie Verwaltung vorgenommen werden. Da auf eine zusätzliche Anti-Krebs-Behandlungsmethode mit paar Toxizitäten darstellen, sollten Neuro-Onkologen prüfen, dass diese Therapie in aktuellen Behandlungsschemata für beide neu diagnostizierten und wiederkehrenden Glioblastom18, 19.
In der neu diagnostizierten Einstellung besteht standard Behandlungsansatz aus gleichzeitigen Strahlung und Temozolomid gefolgt von Wartung Temozolomid. Im Jahr 2004 eine randomisierte Phase-III-Studie zeigte verbesserte Median und 2-Jahres-Überlebensrate für Patienten mit Glioblastom mit Strahlentherapie und damit einhergehende und adjuvanten Temozolomid20behandelt. Vorteile der adjuvanten Temozolomid mit Strahlentherapie dauerte während mindestens 5 Jahren Follow-up-21. Doch identifiziert Patienten 06-Methylguanine-DNA-Methyltransferase (MGMT) Methylierung Status diejenigen am wahrscheinlichsten durch die Zugabe von Temozolomid22profitieren. In einer anderen randomisierten klinischen Studie an Patienten mit Glioblastom, die standard-Strahlung und damit einhergehende Temozolomid Chemotherapie erhalten hatten, führte die Zugabe von auf Wartung Temozolomid Chemotherapie bessere Ergebnisse im Vergleich zu diejenigen, die Wartung Temozolomid allein23erhalten. Darüber hinaus hat die Forschung gezeigt, dass auf die Arbeit unabhängig von Patienten MGMT-Promotor-Methylierung Status; Daher kann auf eine klinische Intervention dar, die auch bei Patienten mit unmethylated MGMT Status24funktioniert. Diese Studien deuten zusammengenommen breite Auswirkungen auf die Wirksamkeit der auf für die Behandlung des Glioblastoms. Insbesondere stellt nach der Bestrahlung, Einbeziehung auf in Kombination mit Temozolomid eine wirksame Behandlungsoption für neu diagnostizierten Patienten mit Glioblastom.
In den wiederkehrenden Einstellung gibt es keine standard-Therapie-Ansatz. Bevacizumab und auf Therapie sind jedoch die zwei FDA-zugelassene Behandlung Modalitäten25,26. Die EF-11 Phase III-Studie mit auf Monotherapie (mit 20-24 h/Tag) im Vergleich zu aktiven Chemotherapie bei Patienten mit wiederkehrenden Glioblastom zeigten vergleichbare Gesamtüberleben während der Toxizität und der Lebensqualität bevorzugt auf27. Daher stellt Bevacizumab allein, auf Monotherapie oder eine Kombination beider Behandlungsmöglichkeiten für Menschen mit wiederkehrenden Glioblastom.
Klinische Anwendung
Eine frühere Publikation JoVE demonstriert die Anwendung der ersten Generation-Gerät mit einem Kunststoff-Modell von einem menschlichen Kopf25. Hier zeigen wir die Anwendung der zweiten Generation Gerät an einem Glioblastom-Patienten einer Behandlung unterziehen. Das Protokoll zum Gebrauch des Gerätes beginnt mit dem Schallkopf Array Layout Platzierung auf der Kopfhaut mit MRT-Messungen und ein Planungssystem Behandlung konfigurieren. Die Wandler Array Layout Karte skizziert die Ausrichtung und Lage der einzelnen der vier Arrays auf den Kopf des Patienten. Arrays sind zur Einhaltung der Kopfhaut erlauben die Wandler 200 kHz Frequenz auf ein elektrisches Feld-Generator liefern entworfen. Patienten eine Behandlung kontinuierlich und die Arrays werden in der Regel alle 3 bis 4 Tage ausgetauscht. In diesem Beitrag zeigen wir die Auswirkungen der auf auf mitotischen Zellen, die Verteilung der elektrischen Felder innerhalb des Gehirns und die schrittweise Anwendungsmethode von der zweiten Generation Gerät auf einen menschlichen Kopf Behandlung eines Patienten mit Glioblastom zu demonstrieren.
Die Präsentation dieses Protokolls folgt ethische Richtlinien am Beth Israel Deaconess Medical Center und schriftlicher Genehmigung wurde von den Patienten erhalten.
1. Anwendung der zweiten Generation auf Gerät
Hinweis: Das System besteht aus tragbaren elektrischen Feldes Generator, Wandler Arrays ein Verbindungskabel und Box, eine wiederaufladbare Batterie, Ladegerät für Gerätebatterien und einen Stecker Netzteil.
2. Entfernung der systemische Mittel, die Anti-Tumor-Iimmunity stören können
Auf verursachen Störungen während der Mitose führt zu einer asymmetrischen Verteilung der Chromosomen und Fehlausrichtung der Metaphase Platten während der Mitose, (Vergleiche Abbildung 1A und Abbildung 1 b). Auf werden gedacht, um ihre Wirkung zu entfalten, durch stören die Funktion des hohen Dipolmoment besitzen Proteine wie α/β-Tubulin oder Septin. Eine vorgeschlagene Modell auf mitotischen Zellen auf Aktion ist, dass sie Septin-Funktion belästigen. Normalerweise wirkt Septin, cytokinetic Furche zu organisieren und verstärken die strukturell wichtige Interaktion zwischen dem subkortikale Aktin-Zytoskelett und die darüber liegende Plasmamembran, die benötigt wird, um intrazelluläre hydrostatischen Kräfte produziert widerstehen während der Furche Ingression. Dies führt zu einem Verlust der strukturellen Integrität innerhalb der teilenden Zellen, die notwendig ist für normale Mitose, wodurch die Störung der chromosomalen Segregation und cytokinetic Furche Funktion führt zu aberranten mitotischen Ausfahrt (Abbildung 1).
Elektrischen Feldstärke ist nicht homogen in das Gehirn des Patienten auf Behandlung32. Elektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätszahl der einzelnen Gewebearten und deren Volumen-Ergebnisse in einer Variation der elektrischen Feldstärke und Verteilung innerhalb des Gehirns, dargestellt in Abbildung 2AB. Daher kann Wandler Array Platzierung auf elektrischen Feldstärke in der Region des Tumors auswirken. Ein Beispiel für diese Variabilität ist in Abbildung 2gezeigt, die elektrische Feldstärke in das Gehirn des Patienten im benachbarten axial, koronal und sagittale Scheiben voraussagt.
Abbildung 3A zeigt die personalisierte Ausgabe der Planungssoftware für die richtige Platzierung der Arrays an einem Patienten Behandlung in Abbildung 3 bgezeigt. Empfindlichkeit der Kopfhaut, die Arrays kann durch topische Anwendung von Kortikosteroiden und durch die Verlagerung der Arrays, wie in Abbildung 4beschrieben gemildert werden.
Das obige Protokoll wurde verwendet, um eine 56 Jahre alte Frau zu behandeln, die eine Blutung im linken Vorderhirn entwickelt. Sie unterzog sich einer Brutto insgesamt Resektion der hämorrhagischen Masse und die Pathologie zeigte IDH-1 mutiert Glioblastom mit Zellvermehrung, zellulären Atypien, mitotischen Figuren und Nekrose. Anschließend erhielt sie externen Strahl Strahlentherapie und täglich Temozolomid. Dexamethason wurde früh in der zweiten Woche der Strahlung gestoppt. Sie erlebte Panzytopenie durch Temozolomid verwaltet die adjuvante Phase der Behandlung, Wachstumsfaktor Unterstützung sowie Thrombozyten und Bluttransfusionen erfordern. Erhöhte Gadolinium Verbesserung wurde auf Kopf MRT 5 Monate nach der Diagnose festgestellt und Bevacizumab wurde gestartet. Acht Monate nach der Diagnose wurde auch auf Therapie hinzugefügt. Sie wurde auf die Therapie mit Bevacizumab und auf 48 + Monate nach der Diagnose von ihrem Glioblastom beibehalten. Die MRT-Aufnahmen dieses Patienten ergab stabilen Erkrankung für 48 Monate nach der ersten Diagnose von Glioblalstoma, siehe Abbildung 5. Sie hat bisher mit einem hohen Karnofsky-Score von 80 überlebt.

Abbildung 1: auf stören während der Zellteilung Mitose. (A) Phase Kontrast Mikroskopie verwendet wurde, um die HeLa-Zellen während der Mitose zu beobachten. DRAQ5 ist ein DNA-Fleck und diente der chromosomalen Verhalten zu überwachen. Bild aus einem Video von Zellen einer normalen Mitose, als zusätzliche Ergänzung enthalten. Die Verfahren zur Erlangung von Videobildern wurden in früheren Arbeiten11beschrieben. (B) Phasenkontrast und DRAQ5 unter auf zeigen Zelle Blebbing und aberrante Mitose. Maßstabsleiste = 20 µm. Aufnahme aus einem Video von Zellen in der Mitose während der Behandlung auf, als eine zusätzliche Gebühr enthalten. Die Verfahren zur Erlangung von Videobildern wurden in früheren Arbeiten11beschrieben. (C) vorgeschlagene Modell für auf-induzierte mitotischen Störung. Auf Radardetektoren Septin Vereinigung mit der cytokinetic Furche und die subkortikale Aktin-Zytoskelett. Dies schafft nicht genügend Furche Kontraktilität und macht die Zellen anfällig für Plasmamembran Bruch von der zugrunde liegenden Zytoskelett, wodurch Membran Blebbing. Dies führt zu aberranten mitotischen Ausfahrt einschließlich mitotischen Schlupf (Ausfall zu teilen) und asymmetrische Zellteilung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: In-situ elektrischen Feldes Intensitäten variieren in den Geweben, die basierend auf elektrischen Leitfähigkeit und Dielektrizitätszahl des Gewebes, die sie durchqueren. (A) elektrisches Feld-Volumen Histogramm (EVH) zeigt die Größe der elektrischen Feldstärke. (B) spezifische Absorption Rate-Volumen Histogramm (SARVH) zeigt die Rate der Energie absorbiert in verschiedenen Geweben. (C) Vertreter Feld mapping eines Patienten mit einem linken frontalen Glioblastom, Feldstärke innerhalb von Distributionen auf axiale, koronale und sagittale Scheiben zeigen. Grüne Pfeile zeigen die Lage des Tumors. Relative elektrische Feldstärke ist willkürlich. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: klinische Anwendung an einem Glioblastom-Patienten nach der Operation, Bestrahlung und Temozolomid. (A) Behandlungsplanung Software Ausgabe anzeigen Platzierung der 4 Arrays. (B) Array Platzierung auf den Patienten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4: Array-Platzierung Variation während der Behandlung. (A) die einzelnen seitlichen Arrays sollten in ihrer Gesamtheit von 2 cm von ihrer primären Position im Uhrzeigersinn gedreht werden, und die vorderen und hinteren Arrays vorangebracht um 2 cm von der (B) Hauptpositionen für Arrayposition Platzierung, die auf die Ausgabe von der Behandlung-Planungs-Software für den einzelnen Patienten beruhen. (C) die einzelnen Elektroden in jedem Array sollte in ihrer Gesamtheit von 2 cm von der Primärposition in einer Weise gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, und die vorderen und hinteren Arrays zog insgesamt um 2 cm nach hinten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 5: Patienten MRI-scans vor und nach der Behandlung auf. MRT-Untersuchungen bei der Diagnose (linke Spalte), MRI-scans nach der Operation, Bestrahlung und Temozolomid (mittlere Spalte), und MRI scans nach 43 Monaten auf Behandlung (rechte Spalte). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
DRS. Kenneth Swanson und Eric Wong erhielt uneingeschränkte Forschungsstipendien von Novocure, Ltd.
Das Glioblastom ist der häufigste und aggressive primäre Gehirn Malignität bei Erwachsenen, mit die meisten Tumoren nach der Erstbehandlung wiederkehrende. Behandlung von Felder (auf) Tumortherapie ist die neueste Behandlungsmethode für Glioblastom. Hier beschreiben wir die ordnungsgemäße Anwendung des auf-Transducer-Arrays auf Patienten und Theorie und Aspekte der Behandlung zu besprechen.
Diese Forschung wurde zum Teil vom Grund To Ride A Research Fund unterstützt. Wir danken Allison Diep für die 3-dimensionale Darstellung in Abbildung 1zu schaffen.
| Babyöl | Johnson & Johnson | Produktcode 473542 | |
| Bevacizumab | Genetech, Inc. | Nicht zutreffend | |
| Elastic Net | Medline Industries | NET012 | |
| Sanftes Shampoo | Johnson & Johnson | Product Code 108249 | |
| Isopropylalkohol 70% | The Betty Mills Company | MON 23222701 | |
| Medical Tape | The Betty Mills Company | MON 38202201 | |
| sterile Gaze | The Betty Mills Company | MON 71392000 | |
| Trimethoprim-sulfamethoxazol | Pfizer, Inc. | Nicht zutreffend | |
| TTFields Gerät (Optune) | Novocure, Ltd. | Nicht zutreffend | Das System besteht aus dem tragbaren elektrischen Feldgenerator, Wandlerarrays, einem Verbindungskabel und einer Box, einem Akku, einem Ladegerät für tragbare Batterien und einem Steckernetzteil. |