Summary
השימוש בCerenkov הארת ההדמיה (CLI) לניטור טיפול בסרטן קליני מתואר כאן. שיטה זו מנצלת Cerenkov הקרינה (CR) ודימות אופטית (OI) כדי להמחיש בדיקות radiolabeled ובכך מספקת אלטרנטיבה לPET במעקב קליני וטיפולי הקרנת סמים.
Abstract
בהדמיה מולקולרית, פליטת פוזיטרוני טומוגרפיה (PET) והדמיה אופטית (OI) הן שתיים מהשיטות 1-3 החשובות ביותר וכך נעשתה שימוש הנרחב ביותר. PET מתאפיין ברגישות שלה המעולה ויכולת כימות תוך OI בולט לאי - קרינה, עלות נמוכה יחסית, זמן סריקה קצר, תפוקה גבוהה, וזמינות רחבה לחוקרים בסיסיים. עם זאת, שתי השיטות יש חסרונות גם כן. PET סובל מרזולוציה מרחבית עניות ועלות גבוהה, בעוד OI מוגבל בעיקר ליישומים קליניים בגלל חדירת הרקמה המוגבלת שלה, יחד עם אותות אופטיים פיזור בולטים דרך העובי של רקמות חיות.
לאחרונה גשר בין PET ו OI התפתח עם גילוי הארת Cerenkov ההדמיה (CLI) 4-6. CLI הוא שיטת הדמיה חדשה שרותמת Cerenkov קרינה (CR) לradionuclides תמונה עם מכשירים אוי. הרוסי נובל laureate אלכסייביץ' Cerenkov ועמיתיו גילו במקור CR בשנת 1934. זוהי צורה של קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת כאשר חלקיק טעון נוסע במהירות superluminal במדיום דיאלקטרי 7,8. החלקיק הטעון, בין אם פוזיטרון או אלקטרון, perturbs השדה האלקטרומגנטי של המדיום על ידי עקירת האלקטרונים באטומים שלה. אחרי שעבר מפוטוני השיבוש נפלטים כאלקטרונים שנעקרו מלחזור למצב הקרקע. לדוגמה, ריקבון 1 נ 18 נאמד לייצר ממוצע של 3 פוטונים במים 5.
מאז הופעתו, CLI נחקר לשימושו במגוון רחב של יישומים, כוללים פרה בתחום הדמית vivo גידול, כתב גן הדמיה, radiotracer פיתוח, multimodality הדמיה, בין יתר 4,5,9,10,11. הסיבה החשובה ביותר לכך שCLI זכה להצלחה רבה עד כה היא כי הטכנולוגיה חדשה זו מנצלת את השיתוף הנמוךרח וזמינות רחבה של OI לradionuclides תמונה, אשר היו אמור להיות צלם רק על ידי שיטות הדמיה גרעיניות יקרות יותר ופחות זמינות כגון PET.
כאן, אנו מציגים את השיטה של שימוש CLI לפקח טיפול תרופתי בסרטן. הקבוצה שלנו חקרה לאחרונה היישום החדש הזה ומאומת היתכנותו על ידי מחקר הוכחה של מושג 12. אנחנו הוכחנו כי CLI ו PET הציגו מתאמים מצוינים פני xenografts גידול השונה ובדיקות הדמיה. זה עולה בקנה אחד עם עיקרון העל של CR כי CLI בעצם visualizes אותם radionuclides כמו חיית מחמד. בחרנו Bevacizumab (אווסטין; Genentech / רוש) כסוכן הטיפולי שלנו כי זה הוא מעכב אנגיוגנזה ידועה 13,14. הבשלתה של טכנולוגיה זו בעתיד הקרוב ניתן חזתה שתהיה לו השפעה משמעותית על פיתוח תרופות קליני, סינון, כמו גם ניטור טיפול של חולים שקבלו טיפולים.
Protocol
1. דגם גידול
- תרבות H460 תאים (אוסף תרבות סוג אמריקאי) בשנת 1640 RPMI בינוני בתוספת סרום 10% שור עוברי ו1% פניצילין / סטרפטומיצין (Invitrogen חי טכנולוגיות). יש לציין שהבחירות של שורות תאים, מדיומי תרבות, מיקומים של חיסון, מספר xenografts לכל עכבר, ושיקולים אחרים כולם להיות מותאם למטרות של מחקר מסוים. כאן אנחנו נציג תכנון פרויקט ספציפי אחד שישמש כהמחשה בלבד.
- לשמור על שורות תאים באווירת humidified של CO 2 5% על 37 מעלות צלזיוס ושינוי עד בינוני טרי בכל יום אחר.
- כאשר 75% monolayer confluent של תאים נוצר, לנתק את monolayer עם טריפסין ולנתק תאים לתוך השעית תא בודד לתרבית תאים נוספות.
- להשעות כ 1 × 10 6 תאים H460 בפוספט שנאגר מלוח (PBS; Invitrogen) ושתל תת העור בכתפיים שניהם שמאליות וימניות של עכברים בעירום (עכברים בעירום athymic נשיים (נו / נו), 4 - 6 שבועות, נהר מעבדות צ'רלס, Inc).
- אפשר לגדל גידולים ל150-200 מ"מ 3. זה לוקח כ 2 שבועות לH460 xenografts גידול לגדול לגודל זה. תקן קליפר המדידה מתבצעת כדי לעקוב אחר גודל גידול.
- כאשר גידולים להגיע לגודל אידיאלי עכברי הנושאים הגידולים מוכנים כעת לטיפול בתחום הדמית vivo הוא באמצעות PET ו CLI.
2. PET
- לבצע את מחקרי PET על פי לוח זמנים זה או כל וריאציה שלו בהתאם לפרויקט הספציפי (איור 1) 12. מספר גורמים יכולים להשפיע על העיצוב של לוח הזמנים, כולל, אך לא מוגבל, לבחירה של קווי גידול xenograft סלולרי, תרופות נגד סרטן, ומשטרי מינון. כאן אנחנו נציג לוח זמני הדמיה אחד ספציפי בלבד. מחקרי CLI הם שיבוצעו על פילוחו זמנים כמו אלה של מחקרי PET, עם CLI בוצע מייד לאחר PET המקביל. יש גם לציין כאן שמטרת מחקרי PET היא בעיקר עבור אימות של תוצאות CLI. עבור משתמשים הרגילים שפשוט רוצים להשתמש במכשירים אוי לבדיקות הדמית radiolabeled, לא PET הוא הכרחי. עם זאת, אם אחד לא עושה אימות PET רצון יש להדגיש כי מכשירי PET וCLI חייבים להיות ממוקמים בקרבה קרובה מאוד לאימות כדי להיות מוצלחת בגלל זמן מחצית החיים הקצר של 18 F (109.77 דקות).
- מחלק עכברים לקבוצות טיפול ובקרה (n ≥ 3 כל אחד). טיפול בעכברים בקבוצת הטיפול עם 2 זריקות של bevacizumab של 20 מ"ג / ק"ג בימים 0 ו 2. יום 0 מוגדר על ידי הזריקה הראשונה. יש לציין כי ביום -1 סריקה מראש צריכה להתבצע הוא באמצעות PET ו CLI.
- PET של החיות הקטנות של עכברי גידול הוא שיש לבצע עם סורק R4 מכרסם מודל (Siemens Medical Solutions ארה"ב, Inc).
- הרדם את כל העכברים עם 2% isoflurane (Aerrane; קסטר) ולהזריק עם 3'-Deoxy-3'-18-F-fluorothymidine (18-F-FLT; 7.3-8.0 MBq [198-215 μCi]) דרך וריד הזנב. בדיקת PET היא להיות מדוללת ב PBS לפני ההזרקה.
- לאחר השעה 1, להרדים עכברים שוב ולמקם עכברים מורדמים נוטים וסמוך למרכז שדה ראייה של סורק PET של החיות קטנות.
- השג סריקות סטטיים שלוש דקות ולשחזר את התמונות על ידי אלגוריתם מרבי 2-ממדי מסודר, תת ציפייה. תיקון רקע אינו הכרחי.
- צייר אזורים של עניין (Rois; 5 פיקסלים לפרוסות עטרה וtransaxial) על גידולים על תמונות ריקבון המתוקן-עטרה כל הגוף. השג את הספירה המרבית לכל פיקסל לדקה מRois ולהמיר לספירה למ"ל לדקה על ידי שימוש בכיול מתמיד. בהנחה של צפיפות רקמה של 1 גרם / מ"ל, להמיר Rois לספירהלגרם לדקה. לקבוע ערכי זהות / g% ROI-derived תמונה על ידי חלוקת ספירות לגרם לדקה על ידי חומר מוזרק. תיקון הנחתה לא הכרחי.
3. CLI
- CLI הוא שיש לבצע במערכת ספקטרום IVIS (Caliper מדעי חיים). רכישה וניתוח של תמונות הן להתבצע באמצעות תמונת חיים 3.0 תוכנה (Caliper מדעי חיים). הדמית גל נפתר רפאים היא שיש לבצע באמצעות פס צר 18-סט פליטת סינון (490-850 ננומטר). שוב, לכל עכבר, לבצע CLI מייד לאחר PET כדי למזער את כמות ההתפרקות רדיואקטיבית אם מחקרי PET כלולים בפרוטוקול.
- הנח בעלי חיים בחדר האור חזק בתחת הרדמת isoflurane. עכברים מרובים ניתן להציב בו זמנית להגדיל את התפוקה.
- לרכוש תמונות באמצעות זמן חשיפת דקות 3 (f / להפסיק = 1, binning = 4). השתמש באותן גדרות התאורה (מתח מנורה, מסננים, f / תחנה, שדות של נוף, binning) לרכוש את כל התמונות. השתמש באזור העור הגבה כדי לחשב את עוצמת האות של רקמת רקע. לנרמל את פליטת פלואורסצנטי לפוטונים לשנייה לסנטימטר בריבוע לsteradian (P / S / 2 סנטימטר / SR).
4. נציג תוצאות
השוואה ויזואלית בין תמונות PET CLI ויכולה להתבצע בקלות. לאחר מאחד סרגל קנה המידה על פני תמונות מאותו הערוץ ומקום צד תמונות CLI ו PET ידי צד אחד יכול לראות בפנל נציג זה (איור 2 א) שגם CLI וPET גילו אותות ירדו משמעותי מH460 xenografts בעכברים שטופלו מטיפול מראש עד היום 3, אפקט טיפולי משמעותי המצביע. לשם השוואה, עלה בשיעור מתון לאותות ללא שינוי נצפו בעכברים שלא טופלו באותה התקופה הזמן (מידע לא מוצג). על ידי בדיקה ויזואלית בלבד אפשר לראות שיש עקביות טובה בין ניגודים סרטניים שאינם חזותיים ized ממספר המזוהה וPET. למעשה, המתאם החזותי הזה יש רזולוציה מספיקה כדי להראות נימק מרכזי של גידול משני למשטר הטיפול נגד הסרטן (בבקשה להשוות את המספר המזוהה ותמונות PET מיום 3). כדי לאמת את ממצאי quantifications ההדמיה וניתוח מתאם יכול להתבצע.
Quantifications של CLI ותמונות PET והתאמת פשוט באמצעות רגרסיה לינארית הראה כי שתי שיטות אכן הייתה קורלציה מצוינת (האיור 2B, R 2 = 0.9309 לנ 18-FLT חקרו קבוצת טיפול). יש לציין, בכל CLI שלנו ומחקרי הדמיה PET עם מודלי גידול שונים ותרופות נגד סרטן שונים מורדות ההתקפים להפליא גם קרובות, ולפיכך סביר שכושר מצוין של רגרסיה לינארית גם של כל הנתונים הצוברים (מידע לא מוצג). שני התמונות המייצגות מותאמות מ 12 הפרסום הקודם שלנו.
er.within עמודים = "תמיד"> 
איור 1. סכמטי של עיצוב ניסיוני של מחקרי PET וCLI. גידולים הושתלו בילטרלי באזור הכתף ואפשרו לגדול ל 150-200 מ"מ 3, ועכברי גידול היו נתוני in vivo ההדמיה באמצעות PET ו CLI ביום -1, 1, ו 3. טיפול bevacizumab בוצע על ידי 2 זריקות של 20 מ"ג / ק"ג בימים 0 ו 2.
איור 2. (א) בחי CLI ותמונות PET של עכברי הנושאים H460 xenografts טופל Bevacizumab לפני טיפול (מראש סריקה) ואחרי הטיפול (יום 3). (B) ניתוח כמוני מקביל של CLI ותוצאות PET (n = 3) ו מתאמים. תמונות עיבוד (6).arge.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
CLI מתגלה כטכניקת הדמיה מולקולרית מבטיחה כי יש למצוא את הפוטנציאל ביישומים רבים בסיסיים מחקר מדעיים ואפילו שימוש קליני 4,5,15,16,17. היתרונות העיקריים של CLI מעל שיטות הדמיה גרעיניות מסורתיות כגון גזע PET מהשימוש במכשירים אוי, שהם קלים יותר לשימוש, המתאפיינים בזמן קצר ורכישת תפוקה גבוהה, באופן משמעותי פחות יקרים, וזמין יותר לחוקרים. בנוסף, מה מקובע CLI מלבד OI באופן כללי הוא השימוש במולקולות שכותרת β פולט כמו בדיקות הדמיה, שרבים מהם אושרו על ידי מנהל המזון ותרופות אמריקאים (FDA), שלא כמו סוכנים אוי מסורתיים. עם תכונות ייחודיות ורצויות אלו, CLI צבר תשומת לב מתחום ההדמיה מולקולרית במהירות. עם זאת, הפוטנציאל שלה ביישומים קליניים ופרה קליניים הם עדיין לא נחקרו במלואו.
ניטור טיפול בסרטן הוא אחד מהאזוריםבי CLI יכול לקבל קצת תועלת משמעותית. זהו אזור חשוב מאוד שהוא מפתח לפיתוח בדיקה, סריקת תרופות, וטיפול בסרטן אפילו להתאים לחולים. נכון לעכשיו, ניטור טיפול בסרטן קליני מבוצע כמעט אך ורק באמצעות שיטות הדמיה גרעיניות כגון PET. לכן CLI מספק חלופה אטרקטיבית לPET, במיוחד בהתחשב שיש קשר מצוין בין תמונות CLI ו PET. עם זאת, יתרון נוסף של CLI לניטור טיפול נעוץ בעובדה שCLI יכול תמונה לא רק β +-emitters, אלא גם β - emitters כגון 32 P, 90 Y, ואני 131, שכולם רלוונטי מבחינה קלינית.
עם זאת, CLI אינו נטול פגמים. ההסתמכות על OI מכשירים מכתיבה כי CLI סובל מכמה חסרונות שהם מהותיים להדמיה אופטית כגון הנחתת אות ופיזור ברקמות חיות. יתר על כן, בספקטרום המסוים שלCR גם תוצאות בעוצמת אות מוגבלת, ולאחר מכן, עמוק יותר את האות ממשטח גוף, הרגישות הנמוכה יותר, ויכולת הכימות העניה 6. עם זאת, בעוד שניתן לראות את החסרונות להיות משמעותי, אפשר במידה רבה לעקוף מכשולים אלה במחקר קליני על ידי שימוש בבעלי חיים קטנים כגון עכברים. וחשוב יותר, יש לפחות זוג של תחומים קליניים העשויים ליהנות מניטור טיפול בסרטן CLI. ניטור גורמי מחלה שטחיים כגון מצבים דלקתיים דרמטולוגיים וסרטן יכול לשמש דוגמה טובה. יתר על כן, גורמי מחלות העמוקים ועם זאת נגיש על ידי מכשיר תשלום מצמיד או טכניקות מבוססות סיבים אופטיות יכולים להשתמש ברגישות המעולה ויכולת כימות של CLI גם כן. עוד אפשרות מרגשת טמונה בשימוש CLI לעזור מנתחים להשיג מידע האנטומי ותפקודי על גידולים בחדר הניתוח. שתי אחרונים הוכחה של קונספט סטהמת הדגים זיהוי וכריתה של גידולים בעכברים עם תמונה בזכות הדרכת intraoperative לCLI 18,19.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
Acknowledgments
אנו מכירים בתמיכת המכון הלאומי לסרטן (NCI) R01 CA128908 ומחקר רפואי מלגת סטנפורד Scholar. אין קונפליקט פוטנציאלי אחר של עניין רלוונטי למאמר זה דווח.
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).
