La comprensione del microambiente tumorale (TME), con le sue complesse interazioni spaziali e dinamiche, consente di comprendere meglio la biologia dei tumori. L'ipossia, o bassi livelli di ossigeno, è il componente chiave del TME e svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo di altre condizioni potenzialmente letali, tra cui malattie cardiovascolari, disturbi metabolici come il diabete e malattie renali croniche 1,2,3. L'ossigenazione dei tessuti è un fattore fondamentale, in particolare nel contesto del cancro, dove la pressione parziale di ossigeno nei tessuti (pO2) è correlata alla resistenza alla terapia. Un livello di pO2 superiore a 10 mm Hg è associato ad un aumento dell'efficacia della radioterapia a basso trasferimento lineare di energia (LET) (effetto di potenziamento dell'ossigeno).
Recenti studi che utilizzano la risonanza paramagnetica elettronica (EPRI) hanno dimostrato che la radioterapia guidata dall'ossigeno può portare a un miglioramento doppio dei tassi di sopravvivenza in diversi tumori in modelli murini 4,5. Questo è simile ai soggetti umani la cui pO2 tumorale è stata misurata con più misurazioni dell'elettrodo Eppendorf e ha riscontrato valori mediani o medi di pO2 inferiori a 10 torr6. Oltre alla radioterapia, l'ipossia tumorale è stata direttamente correlata con l'aggressività tumorale e l'esito di altre terapie, come l'immunoterapia 7,8. Questa associazione sottolinea l'importanza di misurazioni precise dell'ossigeno per migliorare i risultati terapeutici e comprendere la fisiopatologia delle malattie.
L'ossimetria ottimale in vivo richiede una misurazione diretta della pressione parziale dell'ossigeno nei tessuti, indipendente da fattori quali la perfusione tissutale e la saturazione dell'emoglobina. La procedura deve essere non invasiva, con un tempo di imaging breve e preciso per evitare potenziali impatti sull'organismo, come anestesia prolungata, alterazioni della temperatura dei tessuti o cambiamenti significativi della pressione e del pH dei tessuti. L'ossimetria tissutale deve mostrare un'elevata precisione e affidabilità, garantendo misurazioni coerenti indipendentemente dalle variazioni nel microambiente tissutale, comprese le differenze di pH e stato redox. Per un'efficace pianificazione della terapia, la ricostruzione dei dati delle immagini in tempo reale e l'interpretazione diretta sono fondamentali. Ciò comporta non solo il raggiungimento di una risoluzione spaziale preferibilmente inferiore a 1 mm, ma anche la possibilità di una rapida raccolta di dati per monitorare i cambiamenti dinamici nello stato di ossigeno dei tessuti, come l'ipossia ciclica.
In questo contesto, sono state sviluppate varie tecniche per misurare l'ossigeno molecolare o valutare l'ipossia, ognuna con applicabilità e vantaggi unici. L'elettrodo in platino, considerato il "gold standard" per l'ossimetria cellulare e dei tessuti animali vivi, offre misurazioni coerenti grazie all'inserimento preciso nei tessuti. Altri approcci, come i metodi ottici che utilizzano sonde fluorescenti, la fotoacustica, il monitoraggio degli effetti dell'ipossia attraverso l'espressione genica o proteica o i saggi delle comete, sono facili da usare ma sono indiretti o limitati dal percorso ottico nei tessuti. Alternative promettenti per valutare l'ipossia e/o l'ossigenazione sembrano essere la risonanza magnetica per immagini (MRI)-OE-MRI10 - o MOBILE11, la tomografia a emissione di positroni (PET) con varie sonde sensibili all'ipossia12 o la risonanza paramagnetica elettronica (EPR).
La CIP ha una lunga storia nel campo della biomedicina. Il fenomeno stesso è stato segnalato per la prima volta nel 1944 ed è stato ampiamente adottato come strumento per l'analisi di strutture chimiche e, più recentemente, per sistemi biologici e materiali con elettroni spaiati13. La spettroscopia EPR è stata utilizzata per studiare la dinamica e la struttura di sistemi biologici come la fotosintesi, le metalloproteine, gli enzimi radicalici e le membrane fosfolipidiche 14,15,16. La spettroscopia e la tomografia a risonanza paramagnetica elettronica (EPR) sono emerse come metodi non invasivi fondamentali per lo studio dell'ossigenazione tumorale e del microambiente con una risoluzione spaziale di ~1 mm, una risoluzione temporale di 1-10 minuti e una risoluzione pO2 di 1-3 torr 5,17,18.
I metodi EPR a onda continua (CW) rimangono ampiamente utilizzati nella maggior parte delle applicazioni grazie alla semplicità di registrazione e interpretazione degli spettri. Le interazioni ossigeno-sonda spin funzionano valutando le alterazioni dell'intensità del segnale EPR o della forma della linea, fornendo informazioni sui livelli di ossigeno all'interno del campione. CW EPR ha un notevole vantaggio in termini di sensibilità a un intervallo più ampio di pO2 rispetto ai metodi a impulsi. Applicando varie sequenze di impulsi, è possibile chiarire informazioni come i tempi di rilassamento spin-spin degli elettroni, i tempi di rilassamento spin-reticolo e le interazioni con gli spin vicini18,19. Le tecniche EPR a impulsi, come il recupero dell'inversione con lettura dell'eco di spin elettronico (IRESE), misurano i tassi di rilassamento del reticolo di spin, evitando l'artefatto del rilassamento causato dal rilassamento della sonda di spin e della sonda di spin a basse concentrazioni di ossigeno19,20. L'EPR può essere utilizzata per monitorare le variazioni della concentrazione di ossigeno con un'elevata risoluzione temporale e spaziale; tuttavia, in ossimetria ad alte concentrazioni di ossigeno, l'EPR a impulsi incontra limitazioni a causa dei brevi tempi di rilassamento della magnetizzazione trasversale misurati con l'eco di spin elettronico (ESE). In definitiva, la CW e l'EPR a impulsi sono complementari e una comprensione affidabile del sistema di spin richiede l'applicazione di entrambi i metodi.
Le tecniche di ossimetria EPR si basano sulla relazione lineare tra i livelli di ossigeno e il reticolo di spin, nonché sui tassi di rilassamento spin-spin in soluzione. Tutte le sonde ossimetriche sono spesso divise in due tipi: sonde di spin solubili e sonde di particolato. La scelta della sonda di spin corretta dipende dalla configurazione sperimentale e dalle informazioni necessarie 21,22,23. Le sonde di spin solubili, come i nitrossidi o i derivati tritinilici24,25 come OX063 e la sua forma deuterata OX071, distribuiti in tutto il tessuto, forniscono informazioni dall'intero volume. In alternativa, per la misurazione a punto singolo e per valutazioni dell'ossigeno prolungate e ricorrenti, possono essere utilizzate sonde a stato solido come LiPc, LiBuO o derivati del carbonio (vedi Tabella 1)22,23,26.
L'imaging B-mode è ampiamente utilizzato in clinica per l'imaging dei tessuti molli. La risoluzione dipende dalla frequenza del trasduttore utilizzato e, per gli studi preclinici, 18 MHz e oltre forniscono una risoluzione sufficiente nel piano e la profondità dell'immagine. Un ulteriore vantaggio dell'ecografia è la possibilità di ottenere immagini vascolari funzionali utilizzando la modalità Power Doppler. Qui, presentiamo l'imaging dell'ossigeno a risonanza paramagnetica elettronica (EPROI) come metodo per generare mappe 3D dell'ossigeno dei tumori nei topi viventi. L'ecografia corrispondente consente il riferimento anatomico necessario per la definizione del tumore nell'ambito di EPROI. Sono possibili più sessioni di imaging per ogni animale. L'ultimo passo è l'analisi, compresa la ricostruzione dell'immagine e la registrazione tra le modalità per ottenere un istogramma pO2 dal volume tumorale.