Le metastasi cerebrali sono un tumore maligno prevalente associato a una prognosi molto sfavorevole 1,2. Lo standard di cura per i pazienti sottoposti a metastasi cerebrali è multimodale, costituito da neurochirurgia, radioterapia cerebrale completa e/o radiochirurgia stereotassica a seconda dello stato di salute generale dei pazienti, del carico di malattia extracranica e del numero e della posizione dei tumori nel cervello 3,4. I pazienti con un massimo di tre lesioni intracraniche sono eleggibili per la resezione chirurgica o la radiochirurgia stereotassica, mentre la radioterapia dell'intero cervello è raccomandata per i pazienti con lesioni multiple per evitare il rischio di infezione correlata alla chirurgia ed edema5. Tuttavia, la radioterapia dell'intero cervello può infliggere danni alle strutture cerebrali radiosensibili, contribuendo alla scarsa qualità della vita6.
La terapia sistemica è un approccio logico alternativo e non invasivo per il trattamento di pazienti con lesioni multiple7. Tuttavia, è meno considerato a causa della nozione di lunga data che le terapie sistemiche hanno scarsa efficacia perché la somministrazione passiva di farmaci citotossici attraverso il flusso sanguigno non può raggiungere livelli terapeutici nel cervello senza il rischio di tossicità pericolosa8. Questo paradigma sta iniziando a cambiare con la terapia sistemica recentemente approvata dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti (tucatinib con trastuzumab e capecitabina indicato per metastasi cerebrali del carcinoma mammario HER2+)9,10,11,12 e l'aggiornamento delle linee guida per il trattamento per includere la considerazione delle opzioni di terapia sistemica per i pazienti con metastasi cerebrali13,14.
In questo contesto, gli sviluppi nel campo della terapia molecolare mirata, dell'immunoterapia e dei sistemi alternativi di somministrazione di farmaci, come un vettore di nanofarmaci mirato, possono potenzialmente superare le sfide del trattamento delle metastasi cerebrali15,16,17,18. Inoltre, sono in fase di studio anche approcci chimici e meccanici per migliorare la somministrazione di farmaci attraverso la permeabilizzazione della barriera cervello-tumore19,20. Per studiare e ottimizzare tali approcci in modo che siano adatti allo scopo, è fondamentale utilizzare modelli preclinici che non solo rispecchino la complessa fisiologia delle metastasi cerebrali, ma consentano anche un'analisi obiettiva della risposta intracranica ai farmaci.
In generale, gli attuali approcci per modellare le metastasi cerebrali in vivo coinvolgono l'iniezione intracardiaca (ventricolo sinistro), endovenosa (di solito vena della coda), intracranica o intracarotidea (arteria carotide comune) di cellule tumorali nei topi 21,22,23,24,25,26,27 . Oltre alle strategie di attecchimento tumorale, i modelli murini geneticamente modificati in cui la formazione del tumore è innescata dalla rimozione dei geni oncosoppressori o dall'attivazione di oncogeni sono utili per la modellazione del tumore. Tuttavia, solo pochi modelli murini geneticamente modificati sono segnalati per produrre tumori secondari e ancora meno che producono in modo affidabile metastasi cerebrali28,29,30.
I metodi di attecchimento come l'iniezione intracardiaca (ventricolo sinistro) e endovenosa (di solito vena della coda) imitano la diffusione sistemica del cancro. Questi modelli producono tipicamente lesioni in più organi (ad esempio, cervello, polmoni, fegato, reni, milza) a seconda del letto capillare che intrappola la maggior parte delle cellule tumorali durante il loro "primo passaggio" circolatorio31. Tuttavia, tassi incoerenti di attecchimento cerebrale richiederanno più animali per raggiungere la dimensione del campione per la potenza statistica desiderata. Il numero di cellule tumorali che alla fine si stabiliscono nel cervello attraverso questi metodi di iniezione intracardiaca e endovenosa è variabile. Quindi, il carico tumorale delle metastasi cerebrali può variare tra gli animali e la differenza di progressione può rendere difficile standardizzare la tempistica sperimentale e l'interpretazione dei risultati. Il carico tumorale extracranico può portare alla mortalità per metastasi non cerebrali, rendendo questi modelli inadatti per valutare l'efficacia intracranica. Le linee cellulari cervello-tropico sono state stabilite utilizzando processi artificiali di selezione clonale per ridurre l'insediamento extracranico, ma i tassi di assunzione sono stati incoerenti e il processo di selezione clonale può ridurre l'eterogeneità normalmente riscontrata nei tumori umani32.
I metodi di attecchimento specifici del cervello come l'iniezione intracranica e intracarotidea consentono una modellazione delle metastasi cerebrali più coerente ed efficiente. Nel metodo intracranico33, le cellule tumorali vengono tipicamente iniettate nella corteccia cerebrale frontale, che genera una crescita tumorale rapida e riproducibile con un basso coinvolgimento sistemico. Mentre la procedura è ben tollerata con bassa mortalità33, le avvertenze sono che si tratta di un approccio relativamente grezzo che introduce rapidamente un bolo (localizzato) di cellule nel cervello e non modella la patogenesi precoce delle metastasi cerebrali. L'ago danneggia la vascolarizzazione del tessuto cerebrale, che quindi causa infiammazione localizzata 5,34. Dall'esperienza, c'è una tendenza per l'iniezione di cellule tumorali al reflusso durante la rimozione dell'ago, portando al coinvolgimento leptomeningeo. In alternativa, il metodo intracarotideo trasporta le cellule nell'arteria carotide comune con microvascolarizzazione cerebrale come primo letto capillare da incontrare, modellando la sopravvivenza in circolazione, stravaso e colonizzazione24. In accordo con altri25, la nostra esperienza con questo metodo ha scoperto che può provocare tumori facciali a causa della consegna involontaria di cellule tumorali attraverso l'arteria carotide esterna ai letti capillari in questi tessuti (dati non pubblicati). È possibile prevenire i tumori facciali legando prima l'arteria carotide esterna prima dell'iniezione comune dell'arteria carotide (Figura 1). Nel resto dell'articolo, questo metodo è indicato come "iniezione interna di arteria carotide". Per esperienza, il metodo di iniezione dell'arteria carotidea interna genera costantemente metastasi cerebrali con pochissimi eventi sistemici e ha avuto successo nel generare modelli di metastasi cerebrali di diversi tumori primari (ad esempio, melanoma, mammella e tumori polmonari) (Figura 1). Gli svantaggi sono che è tecnicamente impegnativo, richiede tempo, invasivo e richiede un'attenta ottimizzazione del numero di celle e una tempistica di monitoraggio. In sintesi, entrambi i metodi di iniezione intracranica e interna dell'arteria carotide producono modelli murini adatti a valutare l'impatto terapeutico sul beneficio di sopravvivenza correlato al tumore cerebrale.
Questo protocollo descrive il metodo di iniezione dell'arteria carotide interna per produrre un modello murino di metastasi cerebrali con quasi nessun coinvolgimento sistemico e quindi adatto per la valutazione preclinica della distribuzione dei farmaci e dell'efficacia delle terapie sperimentali.

Figura 1: Rappresentazione schematica del protocollo di iniezione dell'arteria carotide interna per le metastasi cerebrali. L'iniezione interna dell'arteria carotide con legatura esterna dell'arteria carotide può produrre in modo affidabile un modello di metastasi cerebrale da vari tumori primari. In questo protocollo, tre legature sono posizionate sull'arteria carotide (annotate come L1-L3 nella figura). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.