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Research Article
Milica Momcilovic1, Sean T. Bailey2, Jason T. Lee3, Charles Zamilpa3, Anthony Jones3, Gihad Abdelhady1, James Mansfield4, Kevin P. Francis5, David B. Shackelford1
1Division of Pulmonary and Critical Care Medicine,University of California Los Angeles David Geffen School of Medicine, 2University of North Carolina at Chapel Hill, 3Department of Molecular and Medical Pharmacology,University of California Los Angeles, 4Andor Technology, 5Division of Orthopaedic Surgery,University of California Los Angeles David Geffen School of Medicine
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
En este protocolo, se describe cómo utilizar [18F]-2-fluoro-2-deoxy-D-glucose tomografía por emisión de positrones y tomografía computada (18F-FDG PET/CT) la proyección de imagen para medir la respuesta metabólica del tumor a la terapia dirigida MLN0128 en un KRAS/Lkb1 ratón mutante modelo de cáncer de pulmón y se juntaron con autorradiografía ex vivo de alta resolución y la histología cuantitativa la proyección de imagen.
Una característica de tumores avanzados es un interruptor para la glucólisis aeróbica que se miden fácilmente por [18F]-2-fluoro-2-deoxy-D-glucose tomografía por emisión de positrones (18F-FDG PET) proyección de imagen. Co las mutaciones en el KRAS proto-oncogene y el gene de supresor del tumor LKB1 son eventos frecuentes en cáncer de pulmón que hipermetabólico, crecimiento del tumor glucolisis. Un camino crítico regulando el crecimiento y el metabolismo de estos tumores es el blanco mecanicista de la vía de la rapamicina (mTOR), que puede ser eficazmente con inhibidores de la cinasa mTOR catalítica selectiva. El inhibidor de mTOR MLN0128 suprime la glicolisis en tumores con Kras y Lkb1 Co las mutaciones, contempladas como KL ratones ratones. La respuesta a la terapia en ratones KL se mide primero por 18F-FDG PET y la tomografía computada (CT imágenes antes y después de la entrega de MLN0128). Mediante la utilización de 18F-FDG PET/CT, los investigadores son capaces de medir cambios dinámicos en el metabolismo de la glucosa en modelos de ratón modificados genéticamente (GEMMs) de cáncer de pulmón después de una intervención terapéutica con terapias dirigidas. Esto es seguido por autorradiografía ex vivo y un análisis de inmunohistoquímica cuantitativa (qIHC) utilizando el software morfométricos. El uso de qIHC permite la detección y cuantificación de los distintos cambios en los perfiles de biomarcadores después de tratamiento, así como la caracterización de patologías tumorales distintas. El acoplamiento de las imágenes de PET a la histología cuantitativa es una estrategia efectiva para identificar respuesta metabólica y terapéutica en vivo en modelos murinos de la enfermedad.
Nuestra investigación se ha centrado en investigar y dirigidos a los cánceres con mutaciones en la quinasa de hígado B1 (LKB1, también conocido como STK11) cáncer mutante1. LKB1 es un supresor de tumor principal que reprime mTOR complejo 1 (mTORC1) mediante la activación de la cinasa de AMP (AMPK) conduce a la regulación del crecimiento y el metabolismo. Por lo tanto, la pérdida de LKB1 conduce a una activación de mTORC1 desenfrenado, la activación de la resultante de HIF1-alfa en un fenotipo metabólico glicolítico comúnmente como el efecto de Warburg2,3,4. Mutaciones que hacen inactivo LKB1 conducen directamente al desarrollo de un síndrome de predisposición de cáncer familiar raro conocido como síndrome de Peutz-Jeghers (PJS) que se caracteriza por el desarrollo de pólipos gastrointestinales benignos conocidos como amartomas5 , 6 , 7. por otra parte, LKB1 frecuentemente Co muta con KRAS oncogénico en hipermetabólico y tumores de pulmón humano agresivo8,9.
Enfermedades relacionadas con el Lkb1 se modelan fácilmente en ratones. La inactivación heterozigótica de Lkb1 en ratones conduce al desarrollo de las amartomas exactamente modelado PJS10,11,12,13. Además, las mutaciones Lkb1 que fácilmente se modelan en ratones con precisión recapitulan fenotipos de cáncer de pulmón, piel, páncreas y mama14. La co mutación de Kras/Lkb1 en el tejido pulmonar de los ratones transgénicos, mediante una activación de mediada recombinase de Cre de oncogénico KrasG12D alelo y biallelic eliminación de Lkb1, resulta en la formación de tumores de pulmón agresivo y metastásico15 ,16. La caracterización de KrasG12D; Lkb1- / - (KL) tumores de pulmón aislados de ratones muestra estos tumores tienen una activación de mTORC1 alta y son altamente glucolisis, usando mediciones de metabolitos directa de glucosa y lactato o medir el consumo de [18F] -2- fluoro-2-desoxi-D-glucosa (18F-FDG) por emisión de positrones (PET) con la tomografía computada (CT) 17. La mTORC1 hiper activación en tumores mutantes LKB1 proporciona un fundamento claro para probar ambos inhibidores de la cinasa catalíticos y alostéricos de mTOR para tratar estos cánceres.
En un estudio previo, hemos demostrado que el inhibidor alostérico de la mTORC1 la rapamicina (RAPA) con éxito inhibió el crecimiento de y glicolisis en tumores gastrointestinales (GI) usando un Lkb1+- Ratón transgénico modelo de pijamas3. RAPA es actualmente había aprobado como una terapia de agente único para el tratamiento de carcinoma de células renales pero demostró eficacia limitada en NSCLC18,19,20. RAPA es un inhibidor alostérico de la mTORC1 y puede mejorarse por el desarrollo de inhibidores de la cinasa catalítica de mTOR de última generación que ofrecen una mayor inhibición casi completa de los complejos de mTOR 1 y 2 (mTORC1 y mTORC2, respectivamente)21. Medicamentos como MLN0128 ahora están siendo evaluados en estudios preclínicos y ensayos clínicos de fase temprana22,23. Un estudio reciente de nuestro laboratorio demostró que el MLN0128 es un inhibidor de mTOR potente en líneas celulares tumorales de pulmón humano y en vivo en KL GEMMs de pulmón cáncer15,16. MLN0128 suprimió el pulmón tumor crecimiento y glucosa metabolismo en estos ratones24.
En este estudio, tomamos ventaja de los modelos bien caracterizado ratón adenoviral Cre-inducida del cáncer de pulmón por un condicional activado oncogene Lox-parada-Lox-KRASG12D 15,25. Estos ratones de KrasG12D fueron cruzados con ratones que floxed alelos de Lkb1 (Lkb1L/L) para generar KrasG12D; Lkb1L/L (KL) ratones16. Después de la entrega intranasal de adeno - o lentivirus expresando recombinase de Cre, los ratones KL desarrollan lesiones tempranas por la inducción del tumor después de 4 semanas. Por 6 semanas, los tumores en el cambio de ratones KL de tumores adenomatosos a un fenotipo más maligno y agresivo tumor típico de los carcinomas de pulmón y por 8-10 semanas, los ratones desarrollan carcinomas francos con un 100% penetrancia16,26.
Tanto PET/CT inmunohistoquímica cuantitativa e imágenes puede ser utilizado para determinar las respuestas moleculares y metabólicas, así como la respuesta terapéutica en los tumores después de la entrega de objetivo terapias como MLN012817, 26,27. Se describe aquí es un protocolo experimental que utiliza 18F-FDG PET imaging para medir la respuesta metabólica a una terapia orientada a MLN0128. Imágenes de PET con histología cuantitativa de acoplamiento permite la medición de la respuesta molecular a la inhibición de mTOR, así como la cuantificación de la carga del tumor y la histología del tumor.
Todos los procedimientos descritos en el protocolo han sido aprobados por el cuidado institucional de los animales y utilizan Comité (IACUC) de la Universidad de California, Los Ángeles.
1. 18F-FDG PET y CT Imaging en ratones
PRECAUCIÓN: Use equipo de protección al manipular la radioactividad. Siga todos los procedimientos reglamentarios aplicables al manejo de radiactividad.
2. 18F-FDG autorradiografía
3. recolección de tejido pulmonar para histología
4. tejido segmentación y cuantificación utilizando Software comercial
18 Imágenes de F-FDG PET se realizó en ratones KL y demostró que los tumores en estos ratones eran altamente glicolíticas como se muestra por un consumo elevado de 18F-FDG (figura 1A), de acuerdo con los estudios previamente publicados26, 29. Una resección de todo pulmones reveló la presencia de varios tumores (figura 1B). Los pulmones de ratón pueden ser divididos en 5 lóbulos separados en figuras 1C y 1D. Lóbulos 1-5 fueron etiquetados en pulmones seccionados que fueron teñidos con H & E o glucosa transportador 1 (Glut1) (figura 1D). GLUT1 es un principal transportador de glucosa y 18F-FDG y su expresión y localización a la membrana plasmática de las células tumorales se correlacionan directamente con 18F-FDG SUV29. Un mayor análisis de resolución de Glut1 (40 X) la coloración en 18F-FDG ávidos tumores pulmonares muestra una expresión elevada y localización del transportador en la membrana plasmática (figura 1D).
Debido a la limitada resolución de las imágenes de PET, PET/CT y tejido autorradiografía fueron realizados. La resolución más alta de autorradiografía puede identificar pequeños tumores o heterogeneidad del tumor 18distribución F-FDG. Después de la inducción del tumor, proyección de imagen de 18F-FDG PET-TAC fue realizada en ratones KL (figura 2A) seguidos por autorradiografía en pulmones aislados de estos ratones (figuras 2B y 2C). Como se ve en las figuras 2B y 2C, la autorradiografía identificado dos tumores más pequeños adicionales que eran positivos para los 18F-FDG, sin embargo no eran fácilmente visibles por PET. Después de autorradiografía, los portaobjetos con el tejido podrían utilizarse también para la tinción inmunohistoquímica (IHC) de biomarker(s). H & E tinción de los tumores confirman la presencia de tumores en el lóbulo izquierdo (figura 2D).
A continuación, proyección de imagen de 18F-FDG PET se realizó en tratados con MLN0128 KrasG12D; Lkb1- / - ratones para utilizar 18F-FDG como un biomarcador funcional del metabolismo de la glucosa en los tumores de pulmón (figura 3). Identificamos que un tratamiento con MLN0128 robusta inhibe la señalización de mTORC1 y glicolisis como se muestra por un consumo reducido de 18F-FDG (figuras 3A y 3B). Estos resultados coinciden con estudios preclínicos evaluar MLN0128 en KL ratones como previamente publicado por nuestro laboratorio17,27. Por último, se efectuó tinción de IHC en los tumores (figura 3C). Los tumores fueron manchados para H & E o con anticuerpos contra fosfo-S6, que es un sustrato conservado de mTORC1 y se utiliza para indicar una activación de mTORC1 (P-S6) vs inactivación (S6). Figura 3 C muestra una fuerte inhibición de P-S6 por MLN0128 en KL tumores en comparación con aquellos tratados con un vehículo, que está de acuerdo con el trabajo previamente publicado17. Además de KRAS, controladores oncogénicos como el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) apoyan el metabolismo glicolítico en tumores de pulmón, así. Por lo tanto, probamos si la inhibición de la mutante constitutivamente activa EGFR con erlotinib suprime el metabolismo de 18F-FDG en xenoinjertos de ratón. Figuras 3D y 3E muestran que la línea de tumor de pulmón humano HCC827, que alberga una mutación de EGFR del19, mostraron un consumo significativamente reducido 18F-FDG tras cinco días de tratamiento de erlotinib.
Por último, análisis morfométrico del tejido fue realizado en pulmones seccionados y tumores de pulmón para cuantificar la carga total del tumor, así como para diferenciar patologías tumorales que subtipo de tejido, necrosis, vasos sanguíneos del tejido pulmonar normal y espacio aéreo. El KL GEMMs desarrollaron una enfermedad compleja y heterogénea patológico que se presentó con tumores pulmonares de diferentes histopathologies. Se trata de adenocarcinomas (ADC) y carcinomas de células escamosas (SCC)-esta heterogeneidad hace que el tratamiento de este cáncer un desafío formidable. Figura 4 A muestra un solo lóbulo de pulmón manchado H & E con dos tumores grandes presentes. Las imágenes de aumento más alto se muestra en la figura 4B identifican un normal pulmón, vasos y espacio aéreo y tumor necrosis así como adenocarcinoma, caracterizado por una bien definida estructura papilar y un carcinoma de célula squamous. Figura 4 C representa el pseudo-colorante del lóbulo de pulmón y tumor usando software morfométrico de Inform. Figura 4 D muestra los porcentajes de pulmón normal, los vasos y patologías individuales tales como necrosis del tumor y subtipos de tumor que había segmentado adenocarcinoma bien-distinguida del carcinoma de célula squamous.

Figura 1 : Metabólicamente activo KrasG12D; Lkb1- / - tumores de pulmón mutante (KL) son 18F-FDG positivo y expresa altos niveles del transportador de glucosa 1 (Glut1). Paneles A y B muestran una proyección de intensidad máxima [también conocida como imagen de 3 dimensiones (3D)] de los 18F-FDG-PET y CT análisis en algunos ratones de FDG ávidos KL que tumores de pulmón squamous. Se muestran (A) una reconstrucción 3D y vistas transversales, sagitales y coronales (B) tumores de pulmón como (T). (C) este panel muestra una histología del pulmón entero del ratón KL reflejada en los paneles A y B, ya sea teñido de H & E (panel superior) o con un anticuerpo específico de Glut1 (panel inferior). Los lóbulos pulmonares están contados. La barra de escala = 2 mm. (D) este diagrama representa la orientación y el número de lóbulos en los ratones (panel superior) y mayor resolución 40 X imágenes de los tumores de H & E o Glut1 manchado de las diapositivas se muestra en el panel C de H & E (panel central) o teñidas con un anticuerpo específico para Glut1 (panel inferior). La barra de escala = 25 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: 18 Autorradiografía F-FDG puede identificar pequeños tumores que son metabólicamente activos. (A) esta imagen de 18F-FDG PET/CT muestra 18F-FDG ávidos tumores en un ratón KL se muestra como una imagen de proyección de máxima intensidad. T1 y T2 = tumores, H = corazón, B = la vejiga, K = los riñones. (B) este panel muestra la autorradiografía ex vivo en secciones seriadas de los lóbulos del pulmón derecho e izquierdo del ratón. Los pulmones en los paneles izquierdos y derecho son idénticos. Los pulmones en los paneles de la izquierda son pseudo coloreada naranja. Los pulmones en los paneles de la derecha se colorean en blanco y negro. Los tumores (T1, T2 y T3) se indican con flechas. (C) esta es una vista magnificada de la pseudocolored de autorradiografía naranja (panel superior) y blanco y negro (panel inferior). (D) este panel muestra la tinción H & E del segmento superior del lóbulo izquierdo que se muestra en el panel B. La barra de escala = 200 μm haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 : El inhibidor de mTOR MLN0128 suprime el consumo de glucosa en los tumores de pulmón de ratones KL detecta 18F-FDG PET. (A) este panel muestra representativa 18imágenes de F-FDG PET/CT de KL ratones tratados con un vehículo (18F-FDG ávido, izquierda) o MLN0128 (18F-FDG no avid, derecha). La transversal (panel superior), coronal (panel central) y sagital (panel inferior) se muestran puntos de vista. Los tumores están contorneados con líneas rojas; H = el corazón, L = el hígado. (B) este panel muestra una cuantificación de SUVmax (%ID/g) entre los tumores tratados con vehículo y MLN0128. (C) este panel muestra la tinción H & E y P-S6 de secciones del pulmón entero de KL ratones tratados con vehículo o MLN0128. La barra de escala = 25 μm. (D) este panel muestra representativa 18F-FDG-PET y CT imágenes de xenoinjertos de EGFR HCC827 (del19) pre- y post-erlotinib tratamiento. El tumor (T) se indica con una flecha, K = riñón, B = el cerebro. (E) este panel muestra una cuantificación del SUVmax (%ID/g) de xenoinjertos de HCC827 antes y después del tratamiento de erlotinib. n = 10 tumores o grupo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4 : Carga del tumor y la histología del tumor se cuantifican utilizando software morfométrico.
(A) este panel muestra la tinción H & E de un lóbulo de pulmón de ratón con un tumor recopilada de un ratón KL. (B) estas imágenes de resolución más altas muestran el carcinoma de célula squamous (parte superior izquierda), el pulmón normal, los vasos y el espacio de aire (arriba a la derecha) y el adenocarcinoma papilar bien-distinguida (abajo izquierda) y necrosis (abajo a la derecha). (C) este panel muestra el pseudocoloring de la H & E manchado del pulmón lóbulo utilizando software morfométricos. (D) este panel muestra los porcentajes de cada pulmón patologías del lóbulo y del tumor medidos por informar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Kevin P. Francis es un empleado de Perkin Elmer. James Mansfield es un accionista público de acciones de PerkinElmer, Inc. (PKI) en NASDAQ. Los autores tienen nada más que revelar.
En este protocolo, se describe cómo utilizar [18F]-2-fluoro-2-deoxy-D-glucose tomografía por emisión de positrones y tomografía computada (18F-FDG PET/CT) la proyección de imagen para medir la respuesta metabólica del tumor a la terapia dirigida MLN0128 en un KRAS/Lkb1 ratón mutante modelo de cáncer de pulmón y se juntaron con autorradiografía ex vivo de alta resolución y la histología cuantitativa la proyección de imagen.
Agradecemos a la Universidad de California Los Angeles Crump preclínico la proyección de imagen del centro de tecnología para su ayuda con la proyección de imagen PET/CT de los ratones, el laboratorio de central de patología translacional y base estadística en la Universidad de California Los Angeles Escuela de medicina David Geffen para su ayuda con la preparación de las muestras tumorales y el análisis. Para la financiación, David B. Shackelford fue apoyado por el CTSI y Premio de ciencia traslacional de KL2 otorgar números KL2TR000122 y UL1TR000124 en la escuela de medicina David Geffen en UCLA y por el Departamento de defensa del pulmón cáncer investigación programa traslacional Asociación de investigación W81XWH-13-1-0459 y ACS RSG-16-234-01-TBG. Sean T. Bailey fue apoyado por una beca de formación de NIH T32 HL072752 a través de la escuela de medicina David Geffen en UCLA. Anthony Jones es apoyado por el programa de UCLA Tumor celular biología formación (USHHS Ruth L. Kirschstein institucional investigación servicio Premio Nacional # T32 CA009056). Gihad Abdelhady es apoyado por una diversidad NIH/NCI suplemento R01CA208642.
| G8 PET/CT | Perkin Elmer | CLS139564 | utilizado para la obtención de imágenes PET y CT con 18F-FDG de ratones |
| Axio Imager.M2 | Zeiss | 490020-0003-000 | Adquisición de imágenes de secciones de tumores de pulmón FFPE |
| Software Inform Perkin | Elmer | CLS135781 | Morfometría utilizada para el análisis de imágenes de patologías tumorales |
| Anticuerpo Glut1 | Alpha Diagnostics | GT12-A | Tinción IHQ de secciones de tumores de pulmón FFPE |
| Proteína ribosómica Phospho-S6 (Ser235/236) (D57.2.2E) XP™ | Tecnologías de señalización de células | mAbde conejo 4858 | Tinción IHQ de secciones de tumores de pulmón FFPE |
| Cuchillas de micrótomo MX35 Premier | Thermo Fisher Scientific | 3051835 | Cuchillas de micrótomo para seccionar tejido para autorradiografía |