Für Patienten mit GBM sind neue therapeutische und wirksame Behandlungsmöglichkeiten notwendig. In diesem Protokoll wurde eine präklinische FUS-vermittelte Behandlung von GBM beschrieben, die derzeit einer umfangreichen Untersuchung für die klinische Translation unterzogen wird. Obwohl die SDT ein spannendes Potenzial hat, gibt es im präklinischen Umfeld noch viel zu verstehen und zu optimieren.
Eine der wichtigsten Komponenten dieses Protokolls ist die Verwendung von MR-gesteuerter FUS, um den Tumor für maximale Wirksamkeit anzuvisieren. Mit Hilfe eines Phantoms kann ein 3D-Koordinatenraum erstellt werden, in dem jedem Pixel axialer MRT-Schichten eine Koordinate zugeordnet werden kann. Ein einfaches Verfahren zur Auswahl des Beschallungsortes auf dem MRT-Bild informiert den Schallkopf darüber, wohin er zielen soll. Das verwendete präklinische FUS-System ist sehr vielseitig und anwendbar, wenn es darum geht, Stellen bestimmter Pathologien wie einen Tumor anzuvisieren, einschließlich tiefer sitzender Tumore, die ohne bildgebende Bestätigung nur schwer zu erreichen wären. Durch die Verwendung von Gadolinium als Kontrastmittel wird der Tumor klar visualisiert, so dass der Benutzer bei der Auswahl der Ziele fundierte Entscheidungen treffen kann. Der Vorteil der SDT gegenüber vielen anderen Behandlungen ist, dass es sich um eine tumorspezifische Therapie handelt. FUS niedriger Intensität sollte nur auf das Tumorgewebe abzielen, während das gesunde Hirnparenchym relativ unberührt bleibensollte 3,8.
Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen, wie die Vorteile dieses Protokolls zu therapeutischen Ergebnissen führen können, die anderen Befunden in der Literatur für SDT ähneln. Abbildung 5 zeigt, dass es innerhalb von nur 24 Stunden nach dem Tag der Behandlung zu einer Verlangsamung des Tumorwachstums in der behandelten Kohorte kam. Obwohl sie bei dieser kleinen Stichprobengröße nicht signifikant ist, kann sich die Signifikanz bei einer größeren Anzahl von Tieren ergeben. Diese Verzögerung des Tumorwachstums ähnelt dem, was in der bahnbrechenden Arbeit von Wu et al. (2019) zu diesem Thema gezeigt wurde, die bei behandelten Tieren ein verlangsamtes Tumorwachstum im Laufe der Zeit sowie eine erhöhte Überlebenszeit aufwies9.
Zu den Überlegungen, die bei der Entwicklung dieses Protokolls angestellt wurden, gehörten der Tierstamm, der Tumortyp und die Auswahl der Sonosensibilisierungsmittel. Athyme Nacktmäuse wurden aus mehreren Gründen für dieses Protokoll ausgewählt. Erstens ist die nackte Maus leichter zu beschallen, da das Fehlen von Haaren eine Dämpfung verhindert. Das Fehlen eines Immunsystems ermöglicht auch die Implantation von patientenabgeleiteten Xenotransplantaten (PDXs), so dass das Tumormodell der klinischen Situation näher kommt. Der Nachteil der Verwendung eines athymischen Modells besteht darin, dass das Immunsystem nicht charakterisiert werden kann, so dass in diesen Studien keine SDT-generierte Immunantwort gemessen wird10. Bei der gewählten Tumorlinie handelt es sich um eine aggressive und schnell wachsende PDX-Linie. Der Zeitpunkt der Behandlung ist sehr wichtig, da die Etablierung des Tumors überprüft werden muss, die Tumorlast jedoch nicht die Schädelhälfte ausfüllen sollte. Unterschiedliche Zelllinien benötigen unterschiedliche Inkubationszeiten, um einen Tumor mit optimaler Größe für präklinische Experimente zu erhalten. In diesem Protokoll wurde 5-ALA als Sonosensibilisator verwendet, da es bevorzugt in GBM-Tumoren aufgenommen wird, was in vitro für diese Zelllinie in früheren Experimenten bestätigt wurde (unveröffentlichte Daten). Andere Sonosensibilisatoren können substituiert und getestet werden, um die für Wirksamkeit und Sicherheit am besten geeignete Verbindung zu bestimmen. Schließlich wurde die Behandlung 3 Stunden nach der 5-ALA-Injektion begonnen, da die bisherige Literatur gezeigt hat, dass dies der optimale Zeitpunkt für diese Injektionsdosis5 ist.
Die in diesem Protokoll gewählten FUS-Parameter (10 W/cm2 für 2 min bei 515 kHz an jedem Zielort) wurden auf der Grundlage einer Literaturrecherche und erster Experimentefestgelegt 4,9. Es wurde ein Raster von Beschallungspunkten gewählt, das den gesamten Tumor abdeckt, um den ROS-Effekt im gesamten Tumor zu erzeugen. Die hier verwendete Intensität ist höher als bei anderen Publikationen, aber in einer kurzen Zeitspanne ist nicht zu erwarten, dass dies zu nachteiligen temperaturbedingten Effekten führt, da Intensitäten von bis zu 25 W/cm2 in einem Mausmodell ohne signifikante Nebenwirkungen erfolgreich eingesetzt wurden11. Wichtig ist, dass in der Literatur kein standardisierter oder optimierter Satz von FUS-Parametern veröffentlicht wurde. Daher können die spezifischen Werte, die hier angegeben werden, angepasst werden, um den optimalen Satz von Parametern zu bestimmen, was zu einer maximalen Reduzierung des Tumorgewebes bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Sicherheit führt. Da verschiedene Zelllinien unterschiedliche Grade der Vaskularisierung und Hypoxie aufweisen, muss diese Behandlung möglicherweise angepasst werden. Wir haben ein insgesamt verringertes Tumorwachstum (Abbildung 5) innerhalb von 24 Stunden nach der SDT-Behandlung gezeigt, obwohl die Parameter optimiert werden müssen und mehr Tiere getestet werden müssen, um die maximale Wirkung dieser Behandlung zu bestimmen. MRT-Scans nach der Behandlung zeigen kein Auftreten von Läsionen, die durch die FUS-Behandlung in gesundem Gewebe entstanden sind, wobei der Effekt auf das Tumorgewebe begrenzt ist (Abbildung 6). Es besteht auch die Möglichkeit, SDT mit anderen FUS-Techniken zu kombinieren, wie z. B. der vorübergehenden Permeabilisierung der Blut-Hirn-Schranke, um die 5-ALA-Aufnahme im Tumor zu maximieren12. Dieses Protokoll kann durch die Durchführung verschiedener histologischer Techniken ergänzt werden, um die Sicherheit und Wirksamkeit auf struktureller Ebene zu überprüfen. Eine Hämatoxylin- und Eosin-Färbung (H&E) kann durchgeführt werden, um nach strukturellen Schäden oder Tumorschädenzu suchen 13, während eine terminale Desoxynukleotidyltransferase-dUTP-Nick-End-Markierungsfärbung (TUNEL) durchgeführt werden kann, um nach zellulärer Apoptose zu suchen14. Unabhängig davon stellt dieses Protokoll eine sichere und tumorspezifische Behandlung dar, bei der die Veränderungen auch 24 Stunden nach der Behandlung spürbar sind, was durch den Vergleich der Wachstumsrate von Tumoren, die mit SDT behandelt wurden, und unbehandelten Tumoren sowie durch den Vergleich von Tumorschnitten vor und nach der Beschallung deutlich wird.
Bei jedem Protokoll gibt es immer Nachteile oder Einschränkungen, die abgewogen werden müssen. Die Haupteinschränkung des aktuellen Protokolls ist der Zeit- und Kostenaufwand. Einer der Vorteile dieses Protokolls ist sein automatisiertes, fokussiertes Ziel. Um dieses fokussierte Verfahren durchzuführen, müssen MRT-Scans für jedes einzelne Tier durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass der Tumor korrekt anvisiert wird, ein Prozess, der sowohl zeitaufwändig als auch teuer sein kann. Darüber hinaus kann die Zeitspanne für die Durchführung dieses Protokolls je nach gewünschter Anzahl von Brennpunkten selbst bei wenigen Tieren Stunden betragen, was zu einer geringen Anzahl von Versuchstieren führt. Trotz dieser Nachteile bleibt dieses gezielte nicht-invasive Protokoll im Vergleich zu offenen Operationsoptionen eine praktikable Präferenz.
Zusammenfassend zeigte dieses Protokoll die Fähigkeit der SDT-Behandlung, das Tumorwachstum im Gehirn innerhalb von 24 Stunden nach der Behandlung zu verringern und gleichzeitig gesundes Nervengewebe in einem präklinischen Mausmodell zu erhalten. Studien zur Wirksamkeit von SDT und zur Optimierung der verschiedenen Parameter zur Steigerung der ROS-Produktion sind notwendig, um diese Behandlung klinisch geeignet zu machen. Es sollten neue Wege für den Einsatz von SDT als nicht-invasives Therapiemodell beschritten werden.