מדגמי עכברים רלוונטיים מבחינה קלינית לרעילות לבבית המושרית על ידי anthracycline הם נדירים. כאן מוצע מדגם המשתמש בעכברים בעלי מערכת חיסונית תקינה הנושאים גידול ומקבלים טיפול נגד סרטן, המדמה את הפרוטוקולים הקליניים של חולי סרטן.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
מדגמי עכברים רלוונטיים מבחינה קלינית לרעילות לבבית המושרית על ידי anthracycline הם נדירים. כאן מוצע מדגם המשתמש בעכברים בעלי מערכת חיסונית תקינה הנושאים גידול ומקבלים טיפול נגד סרטן, המדמה את הפרוטוקולים הקליניים של חולי סרטן.
העדכון האחרון של האיגוד האירופי לקרדיולוגיה בנושא מודלים פרה-קליניים של תפקוד לבבי לקוי הקשור לטיפול בסרטן מדגיש צורך קריטי במודלים in vivo מייצגים וטרנסלציונליים יותר. הוא מצביע על הצורך בפיתוח מודלים המשתמשים בבעלי חיים בעלי מערכת חיסונית תקינה הנושאים גידול, תוך שילוב של זנים מרובים ושני המינים, כדי לשחזר באופן מדויק יותר את ההטרוגניות הנצפית באוכלוסיות קליניות. לפיכך, נבנה מודל רלוונטי קלינית של רעילות לבבית מושרית על ידי anthracycline (AIC) בבעלי חיים הנושאים גידול שד. בהתאם לרקע הגנטי של העכברים, הוזרקו תאי 4T1Luc (200k cells) או תאי PY8119 (200k cells) לעכברי Balb/c או לעכברי C57Bl/6J, בהתאמה, באופן תת-עורי בבלוטת החלב התחתונה של זכרים ונקבות. הצמיחה של הגידול נשלטה באמצעות ביולומינסנציה ומישוש. ברגע שמסת הגידול הייתה ניתנת לגילוי במישוש, שבועיים לאחר הזרקת תאי הגידול, קיבלו בעלי החיים טיפול נגד סרטן ב-Doxorubicin. הסבילות של העכברים ל-Doxorubicin הייתה תלוית זן. התפקוד הלבבי הוערך לפני תחילת הפרוטוקול (קו בסיס) ולאחר מכן מדי שבוע באמצעות אולטרסאונד לבבי בעכברים תחת הרדמת ketamine. רעילות לבבית הוגדרה כירידה בקיצור השבבי (fractional shortening) של החדר השמאלי בלפחות 10% מקו הבסיס, ערך מוחלט של <50%, וקצב לב של >300 BPM. הפרוטוקול היה הדיר עם 99% הצלחה בפיתוח גידול, ושיעור הישרדות של >80% בעכברים. רעילות לבבית נצפתה ב->90% מהעכברים שטופלו בגידול וב-Doxorubicin.
קרדיו-אונקולוגיה שואפת לשפר את התוצאים הקרדיו-וסקולריים בחולי סרטן לפני, במהלך ואחרי כימותרפיה. מודלים פרה-קליניים מילאו תפקיד מרכזי בהבנה טובה יותר של הגומלין בין שתי מחלות אלו. לאחרונה, מחקר ששינה את הפרדיגמה הראה כי עכברים בעלי נטייה מולדת לפוליפים במעי התרחשו יותר מגידולים אלו לאחר אוטם שריר הלב ותקופה של אי-ספיקת לב (HF), מה שמעיד על ההשפעה הישירה של אירוע קרדיו-וסקולרי על צמיחת הגידול1. מאז, מחקרים רבים דיווחו על ממצאים עקביים בסוגי גידולים ובזני עכברים שונים, תוך מעורבות תכופה של מסלולים מולקולריים או חלבונים ספציפיים, ובכך חיזקו את התפיסה כי התקדמות הסרטן מואצת על ידי מחלות קרדיו-וסקולריות (CVDs)2,3,4,5.
בניגוד לכך, השפעת הסרטן על הסיכון לפיתוח CVDs נחקרת כבר מספר עשורים. נתונים אפידמיולוגיים מראים כי שורדי סרטן סובלים יותר מ-CVDs, הן בשל גורמי סיכון משותפים לשתי מחלות אלו והן בשל רעילותן המוכרת של טיפולים נגד סרטן 6,7,8,9,10. מחקרים פרה-קליניים השתמשו לעיתים קרובות במודלים של קכקסיה מושרית סרטן כדי לזהות מטרות ספציפיות שניתן לווסת בבני אדם לשיפור תוצאות קרדיו-וסקולריות ארוכות טווח11,12,13,14. עם זאת, ניתן לטעון כי מודלים אלו בקושי משקפים מצב קליני נפוץ, שכן חולים מטופלים לרוב לפני שהם מגיעים לתסמונת סרטנית מתקדמת זו, אך עדיין קיים חשד כי קכקסיה גלובלית תורמת במידה רבה למקרי מוות כלליים מסרטן15.
בהנחיות הקרדיו-אונקולוגיה הראשונות של האיגוד האירופי לקרדיולוגיה (ESC), נקבע כי נדרש מחקר נוסף כדי להבין טוב יותר את הקשר בין סרטן למחלות קרדיו-וסקולריות (CVDs)16. ליתר דיוק, בעדכון אחרון של קבוצת העבודה של ה-ESC בנושא קרדיו-אונקולוגיה, צוין כי למחקר פרה-קליני יש חשיבות עליונה בגישור על פער ידע זה, במיוחד באמצעות מודלים המשתמשים בבעלי חיים הנושאים גידולים17. יתרה מכך, נדרש מתאם טוב יותר בין מחקרים פרה-קליניים למחקרים קליניים, מכיוון שרוב המחקרים הקליניים כיום נערכים על טיפולים נגד סרטן שנחקרו באופן מועט במסגרות פרה-קליניות18.
אנထרציקלינים (ACs), כגון Doxorubicin (Dox), נמצאים בשימוש נפוץ בכימותרפיה עבור מספר רב של גידולי דם וגידולים מוצקים. אף על פי שכיום קיימים טיפולים מודרניים יותר, מחירם הזול, תופעות הלוואי המתועדות היטב ויעילותם הניכרת יובילו להמשך שימוש בתרופות אלו למשך שנים רבות19,20. כמות עצומה של ראיות מצביעה על כך ש-ACs גורמים לרעילות לבבית תלוית-מינון, הנראית בעיקר כליקוי בתפקוד החדר השמאלי, המהווה את אחד הגורמים המגבילים העיקריים לשימושם הקליני כיום, ולעיתים קרובות מהווה גורם מדאיג עבור הקרדיו-אנקולוג21,22. ספרות זו נובעת בעיקר ממחקרים על סרטן השד בשל שכיחותו הגבוהה בבני אדם, אך מחקרים קליניים על לימפומות, סרטן ריאות ולוקמיות מספקים תצפיות דומות23. לפיכך, מחקרים פרה-קליניים נערכים מזה מספר עשורים כדי להבין את המכניזמים הפתופיזיולוגיים הבסיסיים של רעילות לבבית מושרית-AC (AIC), אשר הדגימו כי עקה חמצונית, נזק ישיר ועקיף ל-DNA, פרופטוזיס (ferroptosis) ונזק מיטוכונדריאלי מעורבים באופן נפוץ23,24.
עם זאת, קיימות למעשה ראיות מוגבלות לגבי האופן שבו ניתן למנוע או לטפל ב-AIC. תרופות נפוצות ל-HF נבחנו בניסויים קליניים עם תוצאות מעורבות, והתזמון של השימוש במספר קטן של מועמדים פוטנציאליים היה קשה לקביעה21,23,25,26,27,28. Dexrazoxane, תרופה לוויסות ברזל, הראתה תוצאות מבטיחות במניעת AIC, אך אינה בשימוש סיסטמטי כיום21. מתן ACs בצורות שאינן חופשיות בדם, לדוגמה, כשהן encapsulated בליפוזומים, הראה גם הוא תוצאות מבטיחות אך עדיין קיימת קושי להחליף ACs קונבנציונליים, בין היתר בשל עלותם21.
הסבר אחד למצב זה הוא המחסור במודלים חייתניים רלוונטיים מבחינה קלינית לחקר AIC17. בבני אדם, Dox ניתן לאורך זמן באמצעות הזרקות חוזרות, ומרבית ה-AIC נצפית במהלך השנה הראשונה לאחר הטיפול. עם זאת, ניתן להבחין בשונות רבה בפרוטוקולים של בעלי חיים בספרות המקצועית, כפי שמוצג בסקירה שפורסמה לאחרונה29. דוגמה קלאסית למודל של קרדיוטוקסיות חריפה היא עכברים ללא גידולים המקבלים הזרקה בודדת של 20 mg/kg של Dox30. במודל טיפוסי של קרדיוטוקסיות כרונית, מחקרים רבים מתארים עכברים ללא גידולים המקבלים הזרקה אחת בשבוע של 5 mg/kg של Doxorubicin, עד למינון מצטבר כולל של 20 mg/kg29,31. ניתן להבחין במודל קרדיוטוקסיות כרוני זה גם בבעלי חיים עם גידולים באותו מינון של Dox; עם זאת, הדבר נותר נדיר מאוד בספרות29,32.
כדי לתרום לצמצום פער ידע זה, נבנה מודל פרגמטי ורלוונטי קלינית של עכברים אימונו-קומפטנטיים הנושאים גידול שד לצורך חקר AIC, וזאת בעכברי Balb/c הנושאים תאי 4T1, וחוסנו אושש בעכברי C57Bl/6J הנושאים תאי PY8119; האחרון מהווה, למיטב ידיעת המחברים, את הפעם הראשונה שבה נבנה מודל קרדיו-אונקולוגי של סרטן שד טריפל-נגטיב בזן C57Bl/6J. הושגה מדידה מדויקת של צמיחת הגידול via כימות ביולומינסנציה לפני הטיפול בבעלי החיים ב-Dox, אשר הדגים קרדיוטוקסיות, ויושם פרוטוקול לאיסוף איברים כדי לחקור את סביבת הגידול המיקרוסופית במקביל לניסוי הקרדיו-אונקולוגי. יתרה מכך, נצפו תוצאות דומות לאלו המתוארות בספרות בנוגע לרגישות לזן ולמין. עבודה זו צפויה לתרום לסטנדרטיזציה ולשיפור של פרוטוקולים בבעלי חיים במחקרי קרדיו-אונקולוגיה עתידיים, שכן עכברי C57Bl/6J בעלי ערך רב בשל שיעור ההישרדות הגבוה שלהם בניסויי AIC29.
היתרון של השיטה המוצעת הוא השימוש בזן C57Bl/6J, אשר קל להנדס גנטית, בעל גנום מאופיין היטב, זול לרכישה ועמיד למנות מצטברות גבוהות של ACs29,33,34. במידה ויש צורך בביטול (knockout) של גן למחקר ספציפי עם ACs, מודל זה מתאים מאוד למטרה זו. יתרה מכך, השימוש בסרטן שד טריפל-נגטיבי הגזורה מזן זה היא בעלת עניין תרגומי, כיוון שנשים עם סרטן שד טריפל-נגטיבי הן החולות בעלות הסבירות הגבוהה ביותר לקבל ACs ואלו שפרוגנוזתן היא הגרועה ביותר35. שימוש במודל זה עשוי לשפר את הידע בנוגע ל-AIC באופן ספציפי עבור חולות אלו.
חוזקו של מודל זה טמון גם בעובדה שהעכברים עוברים התניה מוקדמת עם גידול, דבר שיכול להשפיע באופן ממשי על עיצוב מחדש (remodeling) קרדיו-וסקולרי36,37. כמו כן, מודל זה נמצא בין מודלים חריפים למודלים כרוניים מלאים של AIC, עם אפשרות להארכת משך הניטור של בעלי החיים בשל שיעור ההישרדות הגבוה שלהם, דבר שיכול להיות בעל ערך רב אם נשקלים מחזורי AC נוספים.
עם זאת, מודל זה ככל הנראה אינו המתאים ביותר לאפיון ספציפי של הגידול בסיום הפרוטוקול, וזאת בשל הגישה הפרגמטית להחדרת הגידול. יש לבצע גרסה מותאמת של הזרקת הגידול אם נושא זה מרכזי להשערה המדעית. כמו כן, הזרקת תאי 4T1 לעכברי Balb/c היא מודל מבוסס לגישה אונקולוגית יותר, למשל לצורך חקר גרורות, נושא שאינו מתואר כאן ויש להביאו בחשבון אם גרורות הן חיוניות לשאלה המדעית38. מודל זה מבוצע בעכברים בוגרים; עם זאת, אם המטרה היא לחקור AIC בהקשר פדיאטרי, יש לשקול שימוש בעכברים צעירים יותר, עבורם התגובה לפרוטוקול לא נבחנה כאן.
כל הניסויים בבעלי חיים בוצעו בהתאם לוועדת האתיקה לבעלי חיים המקומית (Lariboisière-Villemin) ואושרו על ידי משרד ההשכלה הגבוהה והמחקר הצרפתי (MESRI) תחת מספר הפרוטוקול APAFIS 46086. כללי ה-3R נלקחו בחשבון במהלך תכנון הפרוטוקול. עכברי Balb/c ו-C57Bl/6J נרכשו מיצרן בעלי חיים כגון Janvier Labs או Envigo. עבור פרוטוקול זה, גיל העכברים בעת ההכללה היה בין 10 שבועות ל-18 שבועות כדי להתאים לבוגרים צעירים, בדומה לנשים הסובלות מסרטן שד טריפל-נגטיבי. בעלי החיים נשמרו בקבוצות של 2–5 פרטים בחדר עם מחזורי אור/חושך של 12 h, טמפרטורת חדר שבין 20 °C ל-24 °C, ולחות שבין 30% ל-70%. מים ומזון סופקו ad libitum. במהלך הפרוטוקול, ננקטה זהירות כדי לעקוב אחר נקודות סיום הומניות שהוגדרו מראש לפני תחילת הפרוטוקול, כפי שמתואר ב-Supplementary Table 1. יש לוודא שנעשה שימוש במסנן איזופלורן (isoflurane filter) כדי לאסוף גזים מיותרים למען בטיחותו של המשתמש באיזופלורן. יש לטפל בבעלי החיים בזהירות, תוך חבישת כפפות והרכבת משקפי מגן בכל שלב בפרוטוקול זה. כל החומרים המסוכנים צריכים להיות מטופלים בהתאם לתקנות המוסדיות המקומיות; במקרה זה, כל הדגימות המזוהמות (דם, מחטים, מבחנות המכילות dox וכו') נזרקו לפחי פסולת רפואית ביו-מסוכנת. סקירת הפרוטוקול מוצגת ב-Figure 1A. الريאגנטים והציוד שנעשה בהם שימוש מפורטים ב-Table of Materials.
1. שבוע 0: הכנת תאים והזרקתם לבעל החיים
הערה: השלבים הבאים מתוארים עבור תאי 4T1Luc והיו זהים לשימוש בתאי PY8119. עם זאת, יש להתאימם עבור כל שורת תאים, בהתאם להמלצות היצרן. כדי למטב את הפרוטוקול, אדם אחד יכול לטפל בהכנת התאים, בעוד שאדם אחר יטפל בהכנת בעלי החיים.
2. שבוע 1: בקרה על צמיחת הגידול באמצעות ביו-לומינסנציה
הערה: ניתן לבצע זאת בכל יום לאחר ההזרקה כדי לבקר את הצמיחה. יתרה מכך, ניתן לבצע זאת במספר נקודות זמן אם קצב צמיחת הגידול הוא נושא למחקר. עם זאת, לאחר 10–14 ימים, האות עלול להיחלש עקב ברירה טבעית של תאי גידול במהלך צמיחת הסרטן. כמו כן, צמיחה מחודשת של שיער לא אמורה להוות בעיה ללכידת פוטונים תקינה אם הפרוטוקול בוצע נכון בהתחלה. ראו איור 2A,B לתוצאות מייצגות של ביולומניסנציה שנכוונה בימים 2, 5, 8 ו-11 לאחר הזרקת הגידול.
3. שבוע 2: טיפול ב-Doxorubicin
הערה: יש לבצע הערכה אקו-קרדיוגרפית לפני תחילת ההזרקות של Dox. לכן, השתמשו בהרדמה שהושרית לאחר האקו-קרדיוגרפיה כדי להחדיר את ההזרקה בעוד החיה ישנה, ובכך למזער את הלחץ מהזרקת ה-Dox הראשונה. כמו כן, יש להתאים את המינון המצטבר לכל זן של עכבר. במקרה זה, נעשה שימוש ב-16 mg/kg עבור עכברי Balb/c וב-24 mg/kg עבור C57Bl/6J, בהתבסס על נתונים קודמים מהמעבדה ועל הספרות29 (ראו איור 3A–C).
4. שבוע 2–5: ניטור רעילות לבבית
הערה: ניתן לבצע זאת על בסיס שבועי. הערכה תכופה יותר תדרוש זהירות, שכן בעלי החיים הם לרוב הפגיעים ביותר במהלך שבועות 3 ו-4 של הפרוטוקול, ומכיוון שזנים מסוימים של עכברים רגישים להרדמה כללית, דבר שעלול להוביל לעלייה בתמותה. בדיקת אקו-לב (Echocardiography) מבוצעת תחת הרדמה ב-ketamine כדי למקסם את הסיכויים להקלטת תפקוד לבבי לקוי, מכיוון ש-isoflurane גורם לדיכוי של השריר הלבבי; המינונים המשומשים הם 40 mg/kg עבור עכברי Balb/c ו-80 mg/kg עבור עכברי C57Bl/6J39. מומלץ לבצע בדיקת אולטרסאונד אחת לפני הזרקת הגידול כדי לכמת את ההשפעה הפוטנציאלית של גדילת הגידול על התפקוד הלבבי לפני תחילת הטיפול הכימותרפי.
5. שבוע 5: הליך הקרבה
הערה: באופן אידיאלי, יש לבצע פרוטוקול זה לאיסוף איברים עם שני אנשים.
6. ניתוח סטטיסטי
הערה: כל הניתוחים הסטטיסטיים והגרפים בוצעו באמצעות תוכנה סטטיסטית ותוכנה לשרטוט גרפים, ובוצעו בהתאם להמלצות המדריך הסטטיסטי42.
פרוטוקול זה, כפי שמוצג ב- איור 1Aהוא פרוטוקול של 5 שבועות שמוביל לקבוצות הניסוי הבאות: עכברים ללא גידול ללא טיפול ב-dox, עכברים ללא גידול שטופלו ב-dox, עכברים עם גידול ללא טיפול ב-dox, ועכברים עם גידול שטופלו ב-dox. ניתן להכפיל קבוצות אלו בהתאם לשאלה אם נעשה שימוש בשני המינים. השבועיים הראשונים של צמיחת הגידול, לפני תחילת הטיפול ב-Dox, מספיקים לצמיחת הגידול לאחר הזרקת 200,000 תאים לתוך ה-4th הבלוטה השדית השמאלית של בעלי החיים (איור 1Bיש לאשש את ההזרקה התת-עורית באמצעות הופעת בועה מתחת לפטמה בעת הזרקה עדינה של תרחיף תאי הגידול (איור 1C). טבלה 1 מסכם בקצרה את הפרמטרים המרכזיים של הפרוטוקול עבור כל זן עכבר, יחד עם התוצאים העיקריים שיידونو להלן.
איור 2A הוא תמונה מייצגת של אות הביולומינסנציה שהתקבל כאשר עכבר אחד ללא גידול (שמאל) ועכבר אחד עם גידול (ימין) הוזרקו בלוסיפרין, ופוטונים נאספו במשך 5 min. ניתוח זה דורש גידולים המבטאים את הגן luciferase כדי לייצר פוטונים עם הזרקת לוסיפרין. בסך הכל, 33 עכברי Balb/c שהוזרקו בתאי 4T1Luc נוטרו במשך 11 ימים באמצעות ביולומינסנציה, בעוד שנעשה שימוש ב-9 ביקורות. איור 2B מאשר כי הגידול גדל במהירות אך עוצמת האות מתחילה להגיע למישור (plateau) לאחר היום ה-8, ונראה כי קצב הצמיחה הראשוני של הגידול בנקבות מהיר יותר בהשוואה לעכברי Balb/c זכרים, כפי שמוצג באיור 2C. רק 1 מתוך 45 עכברי Balb/c לא פיתח גידול לאחר 5 שבועות, בעוד שכל עכברי C57Bl/6J פיתחו גידול לאחר 5 שבועות (איור 2D).
איור 3A ו-איור 3B מדגימים כי הפחתה מצטברת במינון ה-Dox מובילה לשיפור בהישרדות 3 שבועות לאחר תחילת הטיפול ב-Dox: בעוד ששום עכבר Balb/c נושא גידול לא שרד במינון של 24 mg/kg, 50% שרדו במינון של 16 mg/kg. עם זאת, עכברי C57Bl/6J נושאי גידול עמידים יותר, אפילו במינון של 24 mg/kg של Dox, שכן >80% מהם שורדים 3 שבועות לאחר תחילת הכימותרפיה (איור 3D). למין הייתה השפעה משמעותית על התוצאה: נקבות הראו שיעורי הישרדות טובים בהרבה מזכרים בעכברי Balb/c (16 מתוך 29 נקבות שרדו בהשוואה ל-3 מתוך 16 זכרים). איור 3C מדגים את ההבדלים בין המינים בעכברי Balb/c שקיבלו 16 mg/kg של Dox (לא בוצע מבחן סטטיסטי בשל המספר הנמוך של הזכרים). בעכברי C57Bl/6J, לא נרשמו הבדלים מובהקים סטטיסטית בהישרדות בין שני המינים (ראו איור 3E).
תמונה מייצגת של תפקוד לבבי תקין בעכבר, שהוערך באמצעות אקו-קרדיוגרפיה לפני טיפול ב-Dox, מוצגת ב-איור 4A, ותמונה של עכבר עם תפקוד לבבי לקוי לאחר Dox מוצגת ב-איור 4B. כימות של FS במצב M-mode ב-17 עכברי C57Bl/6J עם גידולים שקיבלו 24 mg/kg של Dox מראה ירידה משמעותית לאחר שבועיים (59.3% לפני Dox לעומת 44.3% אחרי Dox, p < 0.0001, איור 4C). רק 1 מתוך 12 העכברים שנשרדו (8%) לא עמד בקריטריונים שהוגדרו מראש לרעילות לבבית. קצב הלב יורד באופן קל אך מובהק מ-623 BPM לפני Dox ל-569 BPM אחרי Dox (p < 0.05, איור 4D). כל הפרמטרים שכומימו באמצעות M-mode מופיעים ב-טבלה משלימה 3.
אישור להשפעה הקרדיוטוקסית של Doxorubicin התקבל באמצעות ניתוח מאקרוסקופי ומיקרוסקופי. איור 6A,B מדגים כי משקל הלב המוחלט פחת באופן משמעותי לאחר טיפול ב-Dox במספר קטן של עכברי Balb/c נקבה שומרי גידול ששרדו, אך נורמליזציה של משקל הלב למשקל הגוף הכולל מראה מגמה בלבד. בניסוי בעכברי C57Bl/6 ללא גידולים, מינון של 24 mg/kg של Dox השרא לשינויים צפויים ב-mRNA קרדיאלי של הגנים הבאים שבוע לאחר תחילת הטיפול ב-Dox: עלייה ב- Atrogin וב- Murf1, המעידה על אטרופיה; עלייה ב- NQO1, המעידה על סטרס חמצוני; ועלייה ב- Bax, המעידה על מצב פרו-אפופטוטי (איור 6C–F).
איור 5A הוא ייצוג סכמטי של פרוטוקול הנוזל הבין-רקמתי של הגידול. תמונה מייצגת של הנוזל שנאסף מוצגת באיור 5B: הנפח שהתקבל הוא קטן.

איור 1: איורים מייצגים של הפרוטוקול הניסויי. (A) סקירה סכמטית של הפרוטוקול הניסויי. נוצר באמצעות BioRender (מספר רישיון JE29USE7LU). (B) ייצוג סכמטי של הזרקת גידול תת-עורית. נוצר באמצעות BioRender (מספר רישיון SO29JHW7R6). (C) ייצוג סכמטי של השתלת גידול תת-עורית מוצלחת. נוצר באמצעות BioRender (מספר רישיון SO29JHW7R6). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: דימות ביולומינסנציה ושיעור השתבשות הגידול. (A) תמונות ביולומינסנציה מייצגות של עכבר ביקורת (שמאל) ועכבר נושא גידול (ימין). (B) אות ביולומינסנציה לאורך זמן (mean ± SEM; repeated-measures two-way analysis of variance [ANOVA]; *P < 0.05). (C) השוואה בין אותות ביולומינסנציה בעכברי Balb/c זכרים ונקבות (mean ± SEM). (D) שיעורי הצלחת השתבשות הגידול בשני זני העכברים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: ניתוח הישרדות של עכברים בעלי גידולים. (A) עקומת הישרדות קפלן-מייר של עכברי Balb/c שטופלו ב-24 mg/kg doxorubicin (Dox). (B) עקומת הישרדות קפלן-מייר של עכברי Balb/c שטופלו ב-16 mg/kg Dox. (C) עקומת הישרדות קפלן-מייר המשווה בין עכברי Balb/c זכרים ונקבות שטופלו ב-16 mg/kg Dox. לא בוצע ניתוח סטטיסטי בשל מספרם המוגבל של העכברים הזכרים. (D) עקומת הישרדות קפלן-מייר של עכברי C57BL/6J שטופלו ב-24 mg/kg Dox. (E) עקומת הישרדות קפלן-מייר המשווה בין עכברי C57BL/6J זכרים ונקבות שטופלו ב-24 mg/kg Dox (מבחן log-rank, P = 0.86). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: הערכה אקוקרדיוגרפית של רעילות לבבית המושרית על ידי דוקסורוביצין. (A) תמונה מייצגת של אקוקרדיוגרם במצב M-mode מעכבר בריא. (B) תמונה מייצגת של אקוקרדיוגרם במצב M-mode מעכבר עם רעילות לבבית המושרית על ידי דוקסורוביצין. (C) קיצור שברי (FS) בעכברי C57BL/6J לפני וב-14 ימים לאחר טיפול בדוקסורוביצין. (D) קצב לב (HR) בעכברי C57BL/6J לפני וב-14 ימים לאחר טיפול בדוקסורוביצין. הנתונים מוצגים עבור n = 17 עכברים. השוואות סטטיסטיות בוצעו באמצעות Welch's t-test. *P < 0.05; ****P ≤ 0.0001. קיצורים: FS, קיצור שברי; HR, קצב לב. אנא לחצו כאן להצגת גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: פרוטוקול דגימת איברים. (A) ייצוג סכמטי של פרוטוקול איסוף נוזל הבין-תאי מהגידול. נוצר באמצעות BioRender (מספר רישיון HV29USD91R). (B) תמונה מייצגת המראה איסוף של נוזל בין-תאי מהגידול במהלך דגימת איברים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: רעילות לבבית מושרית על ידי Doxorubicin. (A) משקל הלב שנמדד 3 שבועות לאחר תחילת טיפול ב-16 mg/kg doxorubicin בעכברי Balb/c נושאי גידולים. (B) משקל לב מנורמל למשקל גוף כולל שנמדד 3 שבועות לאחר תחילת טיפול ב-16 mg/kg doxorubicin בעכברי Balb/c נושאי גידולים. (C) ביטוי mRNA של Atrogin בשריר הלב של עכברי C57BL/6J שבוע אחד לאחר תחילת טיפול ב-24 mg/kg doxorubicin. (D) ביטוי mRNA של Murf1 בשריר הלב של עכברי C57BL/6J שבוע אחד לאחר תחילת טיפול ב-24 mg/kg doxorubicin. (E) ביטוי mRNA של NQO1 בשריר הלב של עכברי C57BL/6J שבוע אחד לאחר תחילת טיפול ב-24 mg/kg doxorubicin. (F) ביטוי mRNA של BAX בשריר הלב של עכברי C57BL/6J שבוע אחד לאחר תחילת טיפול ב-24 mg/kg doxorubicin. ניתוחים סטטיסטיים בוצעו באמצעות Welch's t-test או מבחן Mann–Whitney U, בהתאם להתפלגות הנתונים. ns, P > 0.05; *P < 0.05; **P < 0.01. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
| זן עכברים | Balb/c | C57Bl/6J |
| קו התאים שנעשה בו שימוש | 4T1Luc | PY8119 |
| כמות התאים שהוזרקו | 200 000 | 200 000 |
| מין שנעשה בו שימוש | זכר ונקבה | זכר ונקבה |
| מספר ימי ההזרקה | 4 | 6 |
| מינון יומי | 4 mg/kg | 4 מ"ג/ק"ג |
| מינון מצטבר של דוקסורוביצין | 16 mg/kg | 24 מג/ק"ג |
| מינון קטמין | 40 mg/kg | 80 mg/kg |
| שכיחות רעילות לבבית | >90% | >90% |
| שיעור הישרדות | 19/45 | 16/19 |
טבלה 1: פרמטרי פרוטוקול מרכזיים עבור כל זן עכבר. השוואה של המשתנים הניסויים העיקריים וריכוזי הרכיבים שנעשה בהם שימוש בפרוטוקולים לעכברי Balb/c ו-C57BL/6J.
טבלה נספחת 1: נקודות סיום לרווחת בעלי חיים. אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
טבלה נלווית 2: סקירה ספרותית של פרוטוקולים ניסיוניים עבור 4T1. אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
טבלה משלימה 3: פרמטרים אקו-קרדיוגרפיים שנמדדו ב-M-mode ב-17 עכברי C57BL/6J עם גידולים שטופלו ב-24 mg/kg doxorubicin. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
כאן פותח מודל של רעילות לבבית המושרית על ידי דוקסורוביצין בעכברים הנושאים גידול שאיreי, אשר נחשב בעל רלוונטיות קלינית גבוהה למחקרים עתידיים בתחום הקרדיו-אונקולוגיה. המטרה הייתה לחקות את המצב הקליני של מסלול המטופל, מרגע הגעתו לבית החולים עם אבחנה של סרטן ועד לטיפול בכימותרפיה בעלת פוטנציאל לרעילות לבבית. הפרוטוקול עוקב אחר עיצוב פרגמטי ומשתמש בעכברים בעלי מערכת חיסונית תקינה הזמינים ברחבי העולם, ובכך מאפשר לצוותים אחרים לשחזר אותו במעבדות אחרות. שיעור ההצלחה הגבוה של השתלת הגידול הופך אותו למועמד חזק למחקרי רעילות קרדיו-אונקולוגיים עתידיים.
מכשולים נפוצים בפרוטוקול זה כוללים ביצוע אקו-קרדיוגרפיה בעכברים בעלי קצב לב נמוך, דבר שעלול להוביל לערך נמוך באופן מלאכותי של הקיצור השברי (FS). מתן אפשרות לעכברים להתאושש מההשפעות הכרונוטרופיות השליליות הראשוניות של חומרי ההרדמה לפני ההערכה האקו-קרדיוגרפית מסייע בהבטחת מדידות FS מדויקות. בעכברי Balb/c, ייתכן שיהיה צורך בהפחתה נוספת של מנת ההרדמה אם שיעורי התמותה נשארים גבוהים. אותו נסיין צריך לבצע את כל ההערכות האקו-קרדיוגרפיות לאורך המחקר, כיוון ששונות בין בוחנים עשויה להיות משמעותית43. בהשתלת גידולים, נסיגת המזרק במהלך ההזרקה עלולה ליצור גידול בצורת קו, אשר עשוי לגדול יותר מגידולים שנוצרו בהזרקה נכונה. הזרקה לפטמת השד הנכונה היא קריטית אף היא, שכן מיקום בפטמה העליונה של הבטן עלול להפריע להערכה האקו-קרדיוגרפית בשלבים מאוחרים יותר של התפתחות הגידול. מומלץ לבצע ספירה ידנית של התאים בתמיחה וערבוב יסודי לפני ההזרקה כדי להבטיח שכל עכבר יקבל מספר תאים דומה, ובכך לצמצם את השונות בגודל הגידול בסוף הפרוטוקול. כאשר נדרשת דגימת דם שבועית, יש לשלוט בקפידה בנפח הנאסף כיוון שהעכברים הופכים לשבירים יותר בעקבות טיפול ב-doxorubicin. מומלץ נפח דם כולל מקסימלי של 50 µL בכל נקודת זמן של דגימה, שכן נפחים גדולים יותר עלולים להגביר את התמותה במהלך הפרוטוקול. תדירות ונפח איסוף הדם צריכים לעמוד גם בדרישות אתיקה מקומיות לבעלי חיים ובהנחיות המתקן המוסדי לבעלי חיים. החלפת נפח הדם שנדגם בנפח שווה של סליין שיוגש תת-עורית יכולה לסייע בפיצוי על אובדן נוזלים לאחר איסוף הדם.
כדי להשוות פרוצדורת Dox זו, סקירה שפורסמה לאחרונה על מודלים של בעלי חיים ל-AIC מצאה כי רוב המודלים הפרה-קליניים (88%) השתמשו בהזרקות חוזרות של Dox ומדידות תוצאות (לעיתים קרובות באמצעות echocardiography) מספר שבועות לאחר מכן29. ברוב המאמרים דווח על שימוש בזן C57Bl/6J (73.8%), ככל הנראה בשל חוסנו ועלותו הנמוכה29. למרבה הצער, מספר משמעותי של מחקרים התעלם מההשפעה של גידול על הביולוגיה של בעל החיים לפני הזרקת ACs17,29. רק 46 מתוך 736 מחקרים דיווחו על מודלים נושאי גידול, 12 מהם השתמשו בקו התאים 4T1 (סרטן שד דמוי triple-negative) בעכברי Balb/c, ורק אחד היה מודל של סרטן שד בעכברי C57Bl/6J (ליתר דיוק, סרטן שד דמוי EGFR2-positive)29. מחקר אחר השתמש ב-C57Bl/6J עם סרטן שד דמוי EGFR-2-positive, אך לא אפשר לצמיחת הגידול להתרחש לפני תחילת הכימותרפיה, דבר המגביל את ההיבט התרגומי של מודל זה32.
מודלים של קסנוגרפט (Xenograft) המשתמשים בעכברים עם חסר חיסוני מאפשרים שימוש בקווי תאי גידול אנושיים אך חסרים מערכת חיסונית תפקודית, דבר המגביל את חקר המנגנוים של רעילות לבבית המתווכת על ידי מערכת החיסון ומהווה מגבלה משמעותית בהינתן הרלוונטיות הגוברת של רעילות לבבית הקשורה למעכבי נקודות בקרה חיסוניות. מודלים של בעלי חיים גדולים מתחילים להופיע בתחום הקרדיאו-אונקולוגיה, אך תמיד יהיו להם החסרונות של עלות גבוהה ויכולת הנדסה גנטית מוגבלת44. מערכות In vitro ומערכות אנושיות מבוססות תאים בדו-ממד או תלת-ממד (למשל, קרדיומיוציטים המופקים מ-iPSC אנושי, אורגנואידים של הלב) מאפשרות סריקה מכניסטית וטוקסיקולוגית בתפוקה גבוהה, אך אינן יכולות לשחזר את הפיזיולוגיה המשולבת של האורגניזם השלם (המודינמיקה, ויסות נוירוהורמונלי, תקשורת חיסונית) הנלכדת במודלים של in vivo. בהשוואה לגישות אלו, מודל סינגנאי זה, בעל מערכת חיסונית תקינה ונושא גידול, מציע הקשר רלוונטי יותר מבחינה קלינית לחקר האינטראקציה בין עומס הגידול לרעילות לבבית המושרה על ידי כימותרפיה, וזאת במחיר של שונות ביולוגית גדולה יותר, שיעורי תמותה גבוהים יותר בזנים מסוימים ותפוקה נמוכה יותר מאשר במודלים פשוטים יותר של in vitro או מודלים של in vivo שאינם נושאי גידול.
מודלים של רעילות לבבית על ידי AC ללא גידולים, שנעשה בהם שימוש רב עד כה, מציעים הדירות גבוהה, עלות נמוכה והערכות קלות יותר של הישרדות ואקו-קרדיוגרפיה, אך אינם לוכדים את ההשפעות הסיסטמיות של נטל הגידול, דלקת הקשורה לסרטן וקכקסיה על הלב, אשר מזוהות יותר ויותר כגורמים מתערבים רלוונטיים לרעילות לבבית בחולים17,45. יתרה מכך, תכנות מחדש מטבולי של הלב, ולפיכך תפקודו המכווץ, עלול להשתנות על ידי אונקומטבוליטים מופרשים, כגון D-2-hydroxyglutarate או succinate14. לכן, אם ברצוננו לבנות מודל קרדיו-אונקולוגי לצורך ניתוח ביוכימי של הלב באמצעות שיטות omics שונות (פרוטאומיקה ומטבולומיקה, למשל), נוכחות הגידול לפני כימותרפיה היא חיונית. קיימות גם ראיות לכך שהגידול כשלעצמו יכול להוביל לתפקוד לבבי לקוי גלוי, אם כי הדבר אינו עקבי בספרות. בעוד שחלק מהמודלים הדגימו השפעה מזיקה של הזרקת הגידול על FS או על פרמטרים של הולכה חשמלית, אחרים מצאו כי נוכחות הגידול הגנה על עכברים מפני העיצוב מחדש (remodeling) המושרה על ידי היצרות אאורטלית רוחבית11,13,46. בעלי חיים ללא גידולים נחוצים אף הם, בהתאם להיפותזה המוקדמת. הם מהווים את המסגרת היחידה שבה ניתן לבודד את ההשפעה הקרדיוטוקסית הישירה של הסוכן הכימותרפי מההשפעה המתערבת של הגידול עצמו, תנאי מוקדם חיוני לביסוס סיבתיות והבהרת מנגנוני פעולה ספציפיים לתרופה. בעלי חיים אלה ישמשו כביקורות להשפעת הטיפול נגד הסרטן ולאינטראקציה שלו עם הגידול על הרעילות הלבבית. ללא השוואה זו, יהיה בלתי אפשרי להבחין איזה מרכיב בפנוטיפ הלבבי שנצפה מיוחס לתרופה, לגידול, או לאינטראקציה ביניהם. הבחנה זו קריטית לא רק להבנה מנגנונית אלא גם לתכנון רציונלי של אסטרטגיות להגנה על הלב. לכן חשוב להכיר בכך שכל אחד מהמודלים הללו עונה על שאלות מדעיות נפרדות ומשלימות, וששום מודל לבדו אינו מספיק כדי לשחזר באופן מלא את המורכבות של קרדיו-אונקולוגיה קלינית; שימוש משולב או רצפי בשני המודלים נדרש לעיתים קרובות כדי להגיע למסקנות מנגנוניות וטרנסלציונליות חסונות.
בפרוטוקול זה, רעילות לבבית הוגדרה בהתאם להנחיות ה-ESC לשנת 2022 בתחום הקרדיאו-אונקולוגיה, המגדירות תפקוד לבבי לקוי במידה מתונה ללא תסמינים הקשור לטיפול בסרטן כהפחתה בסינון פליטה של החדר השמאלי (LVEF) של >10% עם LVEF שבין 40% ל-49%16עם זאת, כימות מדויק של LVEF דורש מודול תלת-ממדי במכשיר האולטרסאונד39על מנת למנוע הערכה שגויה של תפקוד סיסטולי של הלב, ולשמור על פרוטוקול פשוט שניתן ליישם במעבדות המשתמשות במכשירי אולטרסאונד ישנים יותר, הועדף להשתמש ב-FS כסמן לתפקוד לבבי לקוי, שניתן להשיגו באופן מדויק וקל באמצעות ניתוח במצב M (M-mode) בעכברים, על פי אותם קריטריונים שהגדירה ה-ESC. בשימוש בפרוטוקול זה, 90% מהעכברים ששרדו עומדים בקריטריונים לרעילות לבבית (cardiotoxicity), מה שהופך אותו למועמד חזק למחקרי תרגום (translational studies) עתידיים. ההשפעה הרעילה של Dox על הלב אוששה באמצעות הערכה מאקרוסקופית (ירידה במשקל הלב) בעכברי Balb/c. במחקר זה לא נכללה קבוצה של עכברי C57Bl/6 עם גידול בלבד; לפיכך, עדיין אין השוואה רלוונטית לזן זה. יתרה מכך, בעכברי C57Bl/6 ללא גידול, מינון ה-Dox เหนהה שינויים העולים בקנה אחד עם ספרות קודמת בנוגע למנגנוני רעילות לבבית של אנתרצקלינים: עלייה בניוון (atrophy), עקה חמצונית ואפופטוזיס.19,20.
עם זאת, משתנים מודרניים יותר המשמשים בבני אדם, כגון speckle-tracking global longitudinal strain (GLS), לא נמדדו כאן מסיבות טכניות. אם הדבר אפשרי באופן מקומי, למדידת GLS יהיה ערך מוסף, שכן היא נחשבת בדרך כלל לרגישה יותר לזיהוי נזק לבבי מוקדם23. ניתן להעריך גם סמנים ביולוגיים לבביים במחזור הדם, כגון טרופונין, כדי לשפר את הוודאות של זיהוי רעילות לבבית; עם זאת, כמות הפלזמה הנדרשת באופן מסורתי לניתוחים אלה בעכברים עשויה להוות גורם מגביל בשל נפח הדם הכולל הנמוך של בעלי חיים אלה. יתרה מכך, השבריריות של בעלי חיים אלה לאחר טיפול ב-Dox עלולה להעלות את שיעורי התמותה במהלך או לאחר דגימת דם. גורם מגביל אחרון הוא הרגישות של בדיקות אלו לסממנים ביולוגיים כאלה, אשר לעיתים קרובות עלולה להקשות על הפרשנות.
אף על פי שכל רכישות האולטרסאונד בוצעו על ידי אותו חוקר מנוסה, נצפתה שונות שבועית גבוהה באותם עכברי Balb/c, גם ללא טיפול. ניתן להסביר זאת ברגישות של זן זה להרדמה בקטמין47. ואכן, בתחילה נצפו שיעורי תמותה גבוהים במהלך הליכים תחת הרדמה, שהובילו למספר נמוך של בעלי חיים שהגיעו לסוף הפרוטוקול, מה שהוביל להפחתת מנת הקטמין ששימשה מ-80 mg/kg ל-40 mg/kg עבור עכברי Balb/c. במבט על גרפי ההישרדות של Balb/c עם Dox, ניתן לראות כי חלק מהתמותה מתרחשת בנקודת ההרדמה (אקו-לב שבועי), אך מרבית מקרי המוות מתרחשים במכלה לבעלי חיים ללא כל הליך פעיל, מה שמדגיש כי Dox הוא הגורם העיקרי לתמותה בעכברים אלו. עם זאת, חשוב לקחת בחשבון את המוות הקשור להרדמה בעת פירוש גרפי הישרדות עבור מודל זה כאשר משווים בין שני זנים או יותר. כדי להפחית את הסיכון למוות הקשור להרדמה, ניתן לבצע אקו-לב בעכברים בהכרה, אך הדבר דורש אימון והסתגלות לפני הכללת העכברים בפרוטוקול. בנוגע ל-Dox, אפילו במינונים מופחתים, כמעט מחצית מעכברי ה-Balb/c לא הגיעו לסוף הפרוטוקול. ניתן לנסות להשריץ קרדיוטוקסיות עם מינונים נמוכים עוד יותר של Dox, תוך סיכון להפחתת מספר בעלי החיים העומדים בקריטריונים לקרדיוטוקסיות. אסטרטגיה נוספת עשויה להיות מתן זמן רב יותר לבעל החיים להתאושש לאחר כל הזרקת Dox; פעולה זו לא בוצעה כאן, אך קיימות ראיות לשיפור בהישרדות בספרות29.
התצפיות שנעשו במהלך בניית מודל זה, לפיהן עכברי Balb/c רגישים יותר ל-Dox מאשר עכברי C57Bl/6J, ושנקבות עמידות יותר ל-Dox מאשר זכרים, עולות בקנה אחד עם ספרות קודמת29. יתרה מכך, התוצאות הדומות והניתנות לשחזור שהושגו בשני זני העכברים מאשרות עוד יותר את חסונו של המודל המוצע. על ידי הגעה למינונים מצטברים גבוהים באמצעות מינונים יומיים גבוהים באופן מתון לאורך תקופה קצרה, הושגו שיעורים גבוהים של רעילות לבבית לצד שיעורי הישרדות גבוהים. בניית מודל לסרטן השד (PY8119 הוא סרטן שד דמוי טריפל-נגטיב) ב-C57Bl/6J תהיה בעלת תועלת רבה למחקרים עתידיים, שכן עכברים אלו מייצגים את אחד הרקעים הגנטיים העיקריים למודלים טרנסגניים34. שיעור ההצלחה הגבוה של הזרקת הגידולים, התומך ביעילות שיטת ההזרקה שנבחרה, הוא מבטיח גם הוא עבור מודל זה. כמו כן, הסבילות הגבוהה ל-Dox של עכברים אלו פותחת פתח למחקרים ארוכים יותר עם אתגרי Dox חוזרים כדי לדמות את המצב הקליני השכיח של סרטן משני או גרורות. לבסוף, פרוטוקול דגימת האיברים מוביל לאיסוף של כל האיברים המוצקים, הגידולים והנוזל הבין-רקמתי שלהם, וכן מח עצם והסטרומה שלו, מה שמאפשר ניתוח יסודי מאוד של המודל.
למודל זה יש מספר מגבלות. בשל תכנונו הפרגמטי וכדי להימנע מניתוח פולשני, לא ניתן לשלוט במדויק במיקום הגידול (כלומר, בבלוטת החלב הנכונה ולא ברקמה שומנית תת-עורית) באמצעות הזרקה תת-עורית, דבר שעשוי להיות בעל חשיבות רבה בהתאם לשאלה המדעית הנחקרת48. אם נדרשת הזרקה מדויקת לאתר הסרטן, ניתוח נרחב יותר עשוי להתאים יותר לביצוע הזרקה אורתוטופית, אם כי נראה כי הדבר בעל חשיבות ממשית בעיקר אם מתוכנן ניתוח ביוכימי של הגידול, מכיוון שהנפח, זמן החضانה והשכיחות מראים תוצאות דומות ללא קשר לשיטת ההזרקה48. ניתן גם לטעון כי שימוש ב-ACs בלבד אינו נמצא במתאם מושלם עם המצב הקליני, שבו מטופלים מקבלים לעיתים קרובות משטרי שילוב, לדוגמה, cyclophosphamide או cisplatin. זה אכן יכול להיות התכנון הבא לפרוטוקול זה; עם זאת, יש לבצע בקפידה התאמה של המינון עבור כל טיפול כימותרפי המשמש. יתרה מכך, שיעור תמותה של מעל 50% בעכברי Balb/c שלושה שבועות לאחר תחילת הטיפול ב-Dox נותר גבוה מאוד; הפחתת המינון עשויה לשפר את ההישרדות, אולי על חשבון רעילות לבבית פחות בולטת. כמו כן, בנוגע למינונים המשמשים במודל זה, יש לציין שהם גבוהים מאלו המקובלים כיום בבני אדם, דבר שעשוי להגביל את הפוטנציאל התרגומי של מודל זה.
המחברים מצהירים כי אין ניגוד עניינים ביחס למאמר.
תודה לצוות מתקן בעלי החיים על עזרתם בניטור היומי של רווחת בעלי החיים. תודה ל-Léanne Borges, Elias Ait Assa ו-Clémence Chabaud על העזרה בבניית הפרוטוקול לבעלי החיים. על תרומת תאי ה-PY8119, תודה ל-Dr Julie Helft מיחידה 932 של INSERM. תודה מיוחדת ל-Dr Sylvain Provost ולסטודנט שלו, Mel Gavens, על עזרתם בנושא הביולומינסנציה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תאי 4T1Luc | ATCC | CRL-2539 | |
| אבקת דוקסורוביצין (Doxorubicin) | קליניסיינס | 23214-92-8 | |
| מכשיר אקו-קרדיוגרף | Visual Sonics | VEVO LT-200 | |
| לוציפרין | Perkin Elmer | E1605 | |
| רשת ניילון | Merck | NY2002500 | |
| PhotonImager Optima | מעבדת BioSpace | ||
| תאי PY8119 | מתנה מד"ר ג'ולי הלפט (Julie Helft) |
מאמר זה פורסם
הסרטון יגיע בקרוב