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Artículo de método

MR Imagen Molecular del cáncer de próstata con un agente de contraste dirigidos Pequeño Molecular CLT1 Péptido

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DOI:

10.3791/50565

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3 de septiembre de 2013

 ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University , 2Department of Translational Hematology & Oncology Research, Cleveland Clinic, Case Western Reserve University , 3Department of Molecular Biology & Microbiology, Case Western Reserve University

En este artículo

Resumen

Para demostrar la imagen molecular del cáncer de MR con un pequeño péptido agente de contraste de MRI específica a las proteínas plasmáticas coagulados en estroma tumoral en un modelo de cáncer de próstata de ratón dirigido.

Resumen

Matriz extracelular del tumor tiene abundancia de proteínas relacionadas con el cáncer que se pueden utilizar como biomarcadores para el diagnóstico por imagen molecular del cáncer. En este trabajo, hemos demostrado el cáncer de RM molecular eficaz con un pequeño péptido molecular dirigida Gd-DOTA complejo monoamida como objetivo MRI agente de contraste específico a las proteínas plasmáticas coagulada en el estroma tumoral. Se realizó el experimento de evaluación de la eficacia del agente para la detección no invasiva de tumor de próstata con la RM en un modelo ortotópico de cáncer de próstata PC-3 de ratón. El agente de contraste diana era eficaz para producir la mejora del contraste significativa del tumor a una dosis baja de 0,03 mmol Gd / kg. El péptido agente de contraste de resonancia magnética específica es prometedor para la RM molecular del tumor de próstata.

Introducción

De formación de imágenes eficaz de dianas moleculares relacionados con el cáncer es de gran importancia para mejorar la precisión de la detección del cáncer antes y diagnóstico. La resonancia magnética (MRI) es una poderosa técnica de imagen clínica con alta resolución espacial y no la radiación de ionización 1. Sin embargo, ningún agente de contraste específico está disponible para la imagen molecular del cáncer MR clínica. El diseño innovador y el desarrollo de agentes de contraste de resonancia magnética dirigidos avanzarían en gran medida la aplicación de la imagen molecular del cáncer de MR. Se han hecho esfuerzos significativos para desarrollar agentes de contraste dirigidos para formación de imágenes MR de los biomarcadores expresados ​​en la superficie de las células cancerosas. Debido a la relativamente baja sensibilidad de la RM y la baja concentración de estos biomarcadores, es un reto para generar la mejora del contraste suficiente para MR efectiva de imagen molecular usando pequeños agentes de contraste diana molecular 2,3. Con el fin de obtener la mejora suficiente, varios sistemas de administración de such como liposomas, nanopartículas y conjugados de polímeros con una alta carga útil de paramagnéticas Gd (III) quelatos se han preparado para aumentar la concentración local de agentes de contraste en los sitios diana de 4,5. Aunque estos sistemas de suministro fueron capaces de generar mejora significativa del tumor en modelos animales, sus grandes tamaños resultaron en eliminación lenta e incompleta desde el cuerpo, resultando en la acumulación prolongada de Gd (III) iones tóxicos, que pueden causar graves problemas de seguridad 6. Recientemente, algunos estudios han demostrado que las limitaciones de la RMN para imágenes moleculares se pueden superar mediante la selección de biomarcadores moleculares adecuados con alta expresión local en las lesiones y el uso de pequeños agentes moleculares que pueden ser excretados fácilmente 7,8. La característica clave de estos agentes es que se dirigen a los marcadores moleculares abundantemente presentes en los tejidos enfermos con poca presencia en los tejidos normales. Una alta concentración de agentes de contraste se puede unir a estos objetivos, lo que resulta en sufiaumento del contraste ciente para imagen molecular MR eficaz. Dado que su tamaño es menor que el umbral filtración renal, agentes de contraste no unidos pueden ser fácilmente excretados del cuerpo con un menor ruido de fondo. Hemos seleccionado un biomarcador relacionado con el cáncer universales, las proteínas del plasma coagulado, que existen en abundancia en el estroma del tumor, y no suelen estar presentes en los tejidos normales 9. Se sintetizó un agente de contraste diana que contiene un pequeño péptido de direccionamiento CGLIIQKNEC (CLT1), que mostró una fuerte unión específica para el modelo de tumor de próstata PC3 10, y cuatro quelatos de monoamida Gd-DOTA. En este caso, se propone una metodología para el cáncer de RM molecular para detectar tumores en ratones.

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Protocolo

Protocolo de adaptación de un estudio previo 11.

1. Conjugación de Gd-DOTA para CLT1 Péptido

  1. Uso de la síntesis de péptidos en fase sólida estándar, sintetizar CLT1 péptido (CGLIIQKNEC) a partir de aminoácidos protegidos con Fmoc en una resina de cloruro de 2-clorotritilo (1,0 mmol).
  2. Después de la adición de aminoácido final, ciclar el péptido lineal en-resina con talio (III) trifluoroacetato (1,09 g, 2,0 mmoles, 2 equivalentes) en DMF (20 ml) a 0 º C durante 2 h.
  3. Siguiente, conjugado de PEG y lisina secuencialmente a la N-terminal de CLT1 péptido (1,0 mmoles) en resina haciendo reaccionar secuencialmente con Fmoc-NH-PEG-COOH (3,0 mmoles), Fmoc-Lys (Fmoc)-OH (3,0 mmoles), y un segundo lote de Fmoc-Lys (Fmoc)-OH (6 mmol).
  4. Eliminar Fmoc con piperidina. Añadir DOTA-tris (t-Bu) (4,58 g, 8,0 mmoles, 2 equivalentes a cada grupo amino) para reaccionar con los cuatro aminas libres de la dendrímero de lisina en la resina durante 2 horas.
  5. Finalmente, escindir y desproteger el productode la resina por tratamiento con un cóctel de ácido trifluoroacético, agua, y triisobutylsilane (TIS) (20 ml, 95/2.5/2.5) durante 8 h a TA. Eliminar la resina por filtración seguido de lavado con ácido trifluoroacético (TFA). Añadir los filtrados combinados gota a gota a éter frío de etilo (200 ml), se centrífuga, y se lavan con éter etílico 4x. Secar al vacío para dar un sólido incoloro (1,99 g, rendimiento del 61%).
  6. Se purifica el producto bruto por HPLC preparativa usando un gradiente de 0-40% de disolvente B (0,1% de TFA en acetonitrilo) en disolvente A (solución acuosa de TFA al 0,1%) durante 20 min y 40-90% de disolvente B en disolvente A durante 10 min .
  7. Disolver CLT1-dl-(DOTA) 4 (250 mg, 0,077 mmol) en agua DI (15 ml) y ajustar el pH a 6 con 1 M de NaOH. Añadir Di-s (OAc) 3 0,4 H 2 O (472 mg, 0,462 mmol, 1,5 equivalentes a DOTA monoamida) en porciones a la solución, mientras se mantiene el pH a 6 con 1 M de NaOH. Se agita la solución de reacción a TA durante 48 h.
  8. Complejo Gd residual (III) con el correoácido thylenediaminetetraacetic (EDTA) (90 mg, 0,31 mmoles), y purificar el producto crudo con una columna de exclusión por tamaño para dar el producto final CLT1-dl-(Gd-DOTA) 4 (169 mg, 57%).

2. Caracterización de los agentes de contraste

  1. Mida Gd (III) el contenido con la espectroscopia de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente.
  2. Adquirir láser de desorción / ionización espectros de masas asistida por matriz de tiempo de vuelo (MALDI-TOF) en el modo lineal con ácido 2,5-dihidroxibenzoico (2,5-DHB) como una matriz.
  3. Medir los tiempos de relajación de la solución acuosa de los agentes de contraste de CLT1-dl-(Gd-DOTA) 4 y un agente de control de nontargeted sCLT1-dl-(Gd-DOTA) 4 con diferentes concentraciones a 60 MHz (1,5 T) con un relaxometer a 37 ° C. Utilice una secuencia de pulsos de inversión-recuperación para medir T 1 y una secuencia de Carr-Purcell-Meiboom-Gill con 500 ecos para medir T 2. Calcula T 1 y T 2 relaxividades de thagentes e de las laderas de las parcelas de 1 / T 1 y 1 / T 2 frente a las concentraciones de D-os.

3. Cultivo Celular y Desarrollo del Modelo Animal con ortotópico PC3 próstata Tumor

  1. PC3 Cultura células de cáncer de próstata con la expresión constitutiva de la proteína de fluorescencia verde (GFP) en medio RPMI suplementado con 5% de suero bovino fetal y penicilina / estreptomicina / fungizona, la cosecha por tripsinización y se resuspende a una densidad de 2,5 x 10 4 células / l de PBS.
  2. Mantener los ratones machos NIH atímicos desnudos (4-5 semanas de edad) en la Instalación Athymic Animal Core, de la Universidad Case Western Reserve (CWRU) de acuerdo con un protocolo de los animales, aprobado por el Comité de Cuidado de Animales y el empleo Institucional CWRU.
  3. Las superficies quirúrgicas se pulverizaron con una solución de clorhexidina al 2% y luego se cubre con cortinas absorbentes. Guantes quirúrgicos estériles fueron usados ​​durante el procedimiento. Antes de la cirugía los animales, IP inyectar Avertin (250 mg / kg) a anesthetize los ratones. Alternativamente, la ketamina / xilazina / acepromazina se puede utilizar a una concentración de 50/5/1 mg / kg. Pomada oftálmica se aplicó a la del ratón para mantener la humedad adecuada durante la anestesia.
  4. Iniciar la cirugía mediante la reducción de una pequeña incisión a través de la piel y el peritoneo a lo largo de la línea media inferior a una longitud de aproximadamente 1 cm, utilizando un bisturí estéril. Un paño quirúrgico estéril se cubrió alrededor del sitio de la incisión durante las cirugías de supervivencia.
  5. Exteriorizar suavemente y estabilizar los lóbulos dorsales próstata para exponer la próstata. Se inyecta la suspensión de células PC3-GFP en PBS (20 l) en la próstata con una aguja de calibre 30. Finalmente cerrará la incisión con herida autoclip 12.
  6. Para el monitoreo post-procedimiento, observar a los animales dos veces al día durante 1 semana. Los signos de la enfermedad son la falta de alimentación, la recogida de orina de color oscuro alrededor de la uretra y la marcha inestable, que podría indicar una infección u obstrucción de la vejiga en las grapas.
  7. Después de 10 días, retire tél grapas utilizando un removedor de grapas. Monitorear los animales diariamente para evaluar el tamaño del tumor y cualquier evidencia de dolor, como la pérdida de peso, problemas de conducta, y los defectos de motor. La eutanasia a los animales que mostraron un tamaño del tumor superior al límite permitido éticamente o evidencia de dolor durante el crecimiento del tumor.

4. La confirmación de un tumor especificidad de unión de los péptidos con Fluorescencia de Imagen e Histología

  1. Después de la inoculación de células tumorales, permitir que aproximadamente 4 semanas de crecimiento del tumor antes de comenzar con la formación de imágenes. Antes de la inyección de las sondas de péptidos, adquirir imágenes de fluorescencia de GFP con ratones vivos en un generador de imágenes de fluorescencia para verificar la presencia de tumor.
  2. Iv inyectar Rojo Texas péptidos marcados a la ratones portadores de tumor a una dosis de 10 nmol / ratón.
  3. Sacrificar los ratones 2 horas más tarde por dislocación cervical, recoger el tumor y los órganos principales, y de inmediato la imagen de un generador de imágenes de fluorescencia. Utilice filtros de luz verde para GFP (excitación: 444-490 nm; emisiones: filtro de paso largo nm 515; ajustes de adquisición: 500 a 720 en pasos de 10 nm) y filtros de luz roja de Texas Red (excitación: 576-621 nm; emisiones: filtro de paso largo nm 635, la adquisición ajustes: 630-800 en 10 pasos nm). 10 ms tiempo de exposición de las buenas prácticas agrarias y 150 ms para Rojo Texas.
  4. Inmediatamente después de la medición de la fluorescencia del tejido conjunto, recoger los tejidos tumorales, fijar con formalina, y criosección en rodajas de 5 micras.
  5. Después de enjuagar con PBS, montar con 1 gota de medio de montaje que contiene 4 ',6-diamino-2-fenilindol (DAPI), imagen inmediatamente en un microscopio láser confocal de barrido.

5. Imagen de Resonancia Magnética (MRI)

  1. Aproximadamente 4 semanas después de la inoculación de las células tumorales, permiten que los tumores crezcan hasta 0,3 hasta 0,6 cm de diámetro. Utilice un escáner 7 T MRI con un volumen de la radio frecuencia (RF) de la bobina para la RM estudio.
  2. Anestesiar el ratón con una mezcla de isoflurano en oxígeno del 2% en una cámara de inducción con isoflurano. Ophthalmic ungüento se aplicó a la del ratón para mantener la humedad adecuada durante la anestesia.
  3. Inserte una aguja de calibre 30 en un largo tubo de 1,0 m lleno de solución salina heparinizada. Coloque el catéter hecho a sí mismo en la vena de la cola del ratón.
  4. Coloque el ratón en el imán y mantener bajo anestesia por inhalación con un 1,5% de isoflurano en oxígeno a través de un cono de la nariz.
  5. Coloque un sensor respiratorio conectado a un sistema de monitoreo en el abdomen para controlar la frecuencia y profundidad de la respiración. Mantener la temperatura del cuerpo a 37 ° C por soplado de aire caliente en el imán a través de un sistema de control de realimentación.
  6. Comience con la sección de imágenes sagital utilizando una secuencia de localización para identificar la ubicación del tumor (TR / TE = 200/3.7 ms, FOV = 3,0 cm, grosor de corte = 2,2 mm, rebanada número = 16, promedio = 2, flip = ángulo de 45 °, matriz = 128 x 128).
  7. Utilice una secuencia de supresión de grasa gradiente potenciada en T1 2D para obtener imágenes axiales 2D para CE-MRI (TR / TE = 151.2/1.9 ms, FOV = 3,0 cm x 3,0 cm, sespesor piojos = 1,2 mm, número de segmento = 12, promedio = 1, flip = ángulo de 80 °, la matriz = 128 x 128).
  8. Después de la adquisición de imágenes MR de línea de base previa a la inyección, comenzar a inyectar el agente vectorizado o el agente de control a una dosis de 0,03 mmol Gd / kg por lavado con 200 l de solución salina.
  9. Seguir adquiriendo imágenes CE-MRI en diferentes momentos durante un máximo de 30 min.

6. Procesamiento y Análisis de Imágenes

  1. Utilice el software de imágenes para análisis de imágenes.
  2. Dibuje las regiones de interés (ROI) en todo el tumor y los riñones en el plano de la imagen bidimensional y medir la intensidad media de la señal.
  3. Para cuantificar los datos CE-MRI, medir tumor o aumento del contraste de los riñones (ΔSNR) mediante el cálculo del incremento de la post-contraste SNR sobre pre-contraste SNR usando la siguiente ecuación: ΔSNR = (S t / σ t) - (S 0 / σ 0), donde S 0 y S t denotan la señal en la tumo o los riñones antes y después de contraste, y σ 0 y σ t son la desviación estándar del ruido medido desde el fondo de aire antes y después de contraste.
  4. Calcular los valores p usando la prueba t de dos colas del estudiante, asumiendo la significación estadística de p <0.05.

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Resultados

La Figura 1 muestra la síntesis del agente de contraste dirigidos CLT1-dl-(Gd-DOTA) 4 y el esquema general del experimento. CLT1-dl-(Gd-DOTA) 4 muestra la capacidad de relajación mucho más alto que el Gd-DOTA clínica (Tabla 1). A 1,5 T, la capacidad de relajación T 1 por gadolinio de CLT1-dl-(Gd-DOTA) 4 en PBS (pH 7,4) es de aproximadamente 3 veces mayor que la de Gd-DOTA 10. Maestro de imagen confirma la fuerte unión específica de Rojo Texas etique...

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Discusión

Pasos críticos

La selección de biomarcadores adecuada y focalizada en los pequeños Péptido

Para desarrollar con éxito un agente de contraste objetivo con el tamaño pequeño, dos puntos clave deben ser considerados. En primer lugar, es importante seleccionar biomarcadores moleculares adecuados que son abundantemente presente en los tejidos enfermos con poca presencia en los tejidos normales. Nuestro biomarcador relacionado con el cáncer se selecciona,...

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Divulgaciones

No hay conflictos de interés declarado.

Agradecimientos

Este trabajo es apoyado en parte por la Asociación Americana del Corazón GRA Primavera 09 Postdoctoral Fellowship (09POST2250268) y el NIH R01 CA097465. Apreciamos altamente Dr. Wen Li y el Dr. Vikas Gulani para la prueba de protocolo de la RM y la configuración, y la Sra. Yvonne Parker por su asistencia en la implantación del tumor.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
>FmocEMD Chemicals Inc
DOTA-tris(t-Bu)TCI America
PyBOP, HOBt, HBTUNova Biochem
DIPEA, Trifluoroacetato de talio(III), TISSigma-Aldrich Corp.
Texas Red, éster succinimidílico, isómero únicoInvitrogenT20175
EQUIPMENTS
Agilent 1100 Sistema de HPLCAgilent
ZORBAX 300SB-C18 PrepHT columnaAgilent
ICP-– S Optima 3100XLPerkin-Elmer
MALDI-TOF espectrómetro de masasBrukerAutoflexTM Speed
Maestro FLEX Sistema de imagen in vivoCambridge Research Instrumentation, Inc.
Escáner de resonancia magnética Biospec 7TBruker
fuertes

Referencias

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