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Research Article
Katlyn Pavlik1,2, Kendra Eagleson3, Katarzyna Kempinska1,2, Jacquelyn Del Valle3, Rachel Griffin3, Elizabeth Phelps1, Sarah Marei1, Matti Kiupel4, Rebecca Linton5, Lorenzo F. Sempere1,2
1Precision Health Program,Michigan State University, 2Department of Radiology, College of Human Medicine,Michigan State University, 3Campus Animal Resources,Michigan State University, 4Veterinary Diagnostic Laboratory, College of Veterinary Medicine,Michigan State University, 5Veterinary Medical Center, College of Veterinary Medicine,Michigan State University
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
このプロトコルは、ウサギ乳腺の乳管樹系への画像誘導注入の手順を提示します。X線造影剤を含むエタノールベースのアブレーション溶液を、透視リアルタイムイメージングにより、すべての乳頭開口部に制御注入することを実証します。
乳がんは、女性のがん関連死因の第2位です。平均リスクの女性に対する積極的な介入はほとんどありませんが、予防的乳房切除術は、高リスクの女性にとって最も効果的でリスクを軽減する介入です。ただし、予防的乳房切除術は、周囲の間質、脂肪組織、および/または筋肉組織とともにすべての乳腺上皮細胞を除去する侵襲的処置です。私たちの全体的な研究目標は、乳管ツリー全体を切除液で満たすことにより、乳腺上皮細胞を局所的に殺す非侵襲的な乳管内 (ID) 送達手順を開発することです。我々は以前に、切除液としてのエタノールのID送達がげっ歯類モデル(マウスおよびラット)で有効であることを実証しました。このプロトコルは、X線造影剤としてイオヘキソール(90〜300mg/mL)を含む10〜70%エタノール溶液をウサギ乳腺の多管ツリー系にID送達します。多管系を持つウサギ(Oryctolagus cuniculus)の乳腺は、他の大型動物(牛、羊など)の乳腺よりも人間の乳房に似ています。このウサギプロトコルは、スケーラビリティ、リアルタイムイメージング、および大型動物中間モデルにおける多管ツリーシステムへのID配信の技術的課題に対処します。このプロトコルは、臨床で直接適用できる器具、材料、および試薬を使用した透視ガイド下のマルチダクト ID 送達を確立します。組織分析により、乳がんの一次予防のためのこの切除処置の将来のファースト・イン・ヒューマン評価の出発点として、上皮アブレーションを最大化し、側副組織損傷を最小限に抑えるためにエタノールの濃度を最適化することができます。
乳がん (BC) は、米国で女性にとって最も一般的で 2 番目に多いがん関連死亡です。2025 年の予測では、新たに 316,950 人の乳がんが発生し、42,170 人の女性が BC1 で死亡すると推定されています。現在、両側予防的乳房切除術は、BCを予防するための最も効果的な処置です。ただし、これは、乳癌が発生する上皮細胞とその周囲の組織を完全に除去する非常に侵襲的な手順です。その侵襲性と、この処置の心理的および社会的影響により、リスクを軽減する乳房切除術を受けるリスクの高い女性は 50% 未満です2。私たちと他の人々は、現在の予防と治療の代替として、げっ歯類モデル 2,3 における乳がんの一次予防および/または局所治療のための管内 (ID) 送達手順を開発しました。エタノール (EtOH) は、毒性と安全性が低く、十分に確立されており、静脈奇形の治療のための硬化剤や一部の癌の局所治療のための切除剤など、複数の臨床用途で使用されています3。通常、これらの臨床処置では、数ミリリットルの EtOH が 90-100% の濃度で注入または送達されます。私たちの以前の研究では、マウスおよびラットモデルの乳管ツリー系に直接70%EtOHを送達することは、隣接する正常組織への損傷を限定して乳腺上皮細胞を化学的に切除し、乳房腫瘍の形成を防ぐのに効果的でした4,5,6,7。この手順は、管腔体積と管腔上皮細胞表面積比が大きいウサギのより大きな管ツリーシステムにスケールアップされるため、EtOHの割合が低い(10%〜70%)溶液のアブレーション特性を調査します。臨床翻訳に目を向けると、上皮細胞の切除に効果的なエタノールの割合が最も低いほど忍容性が高く、安全性プロファイルが最も優れていると推論します。
切除液が乳腺上皮細胞と直接接触していることを保証するには、完全な乳管樹充填の確認が必要です。げっ歯類モデルでの以前の研究では、処置後にマイクロCTイメージングによる注入された管樹のX線視覚化が使用されました。画像診断のために動物を麻酔、移送、設定、および配置するのに必要な時間の経過により、FDA 承認のオムニパック (イオヘキソール) または同様のヨウ素含有高速拡散造影剤は、げっ歯類の乳管樹の視覚化には適していませんでした 6,8。ナノ粒子ベースの造影剤、特に酸化タンタルナノ結晶を含む造影剤は、拡散が遅く、げっ歯類の管木の視覚化に適していることがわかりました6,7,8,9。ただし、マイクロCTイメージングによるこの事後確認では、注入量の量を監視または制御することはできず、管ツリーの視覚化のためのダクトグラフィー10,11などの臨床的に確立された診断手順から逸脱します。したがって、このID手順をヒトに変換する技術的実現可能性を確立するための重要なステップは、乳腺のサイズと複雑さが増す動物モデルで注入された乳管ツリーのリアルタイム透視視覚化を実証することです。このプロトコルは、この切除手順をげっ歯類 4,5 からウサギ モデルにスケールアップします。進化的、解剖学的、生理学的に、ウサギの乳腺は、げっ歯類や牛や羊などの他の大型動物モデルの乳腺よりも人間の乳房に似ています12,13,14。メスのウサギには4対の乳腺があり、それぞれに4つの乳管の木が含まれていますが、げっ歯類は乳腺ごとに1つの乳管の木しかありません。ウサギの乳首は、ファースト・イン・ヒューマン臨床研究における臨床ダクトグラフィーにおける造影剤のID投与と同様の手順を使用してカニューレ挿入することができます15,16。したがって、ウサギは、このID切除手順をヒトに翻訳して適用するための実用的で関連性の高い中間大型動物モデルを提供します。このプロトコルは、げっ歯類モデルでは対処できなかった多管ツリーシステムのIDデリバリーとin vivoイメージングの技術的課題に対処します。このプロトコルでは、管の木を視覚化するために、現在の臨床診療と互換性のある器具、試薬、および材料を使用します。したがって、イオヘキソール含有エタノールベースのアブレーション溶液の透視ガイド下注入の記載された手順は、ファーストインヒューマン臨床試験で容易に実施および評価できます。
この方法は、造影剤を含むエタノールベースの切除液をウサギの1つまたは複数の乳腺の4つの乳管ツリーすべてにカニューレ挿入し、順次注入することに成功するために、私たちの研究室で実装されています(図1、 図2、 図3)。この方法では、X線透視台上のウサギ(4か月の処女)の27 Gの鈍い先端の針を使用して、カニューレ付きの乳頭開口部にアブレーション溶液を直接注入します。この手順は、全身麻酔(イソフルラン)下で動物に対して、手術前および手術後の抗炎症治療(ケトプロフェン、非ステロイド性抗炎症薬)で行われます。透視イメージングにより、ダクタルツリーの充填をリアルタイムで監視し、分注量の速度と量を制御し、および/または個々のツリーシステムでID送達がどの程度成功しているかを判断することができます(図1、 図2、 図3)。この透視技術は、切除治療の画像誘導のための意図された臨床応用により近接しており、患者に課せられる全体的な放射線量を制限するのに役立ちます。このプロトコルは、FDA承認のOmnipaque(iohexol)がウサギの管樹の最初の充填を視覚化するのに適した造影剤であることを示しています(図3)。肉眼的検査と組織学的分析による観察により、エタノール濃度が70%になると、乳管樹の内外に急速な組織損傷を引き起こし、乳腺構造を超えて広がることが示されています(図3)。10〜40%の範囲のエタノール濃度は、70%エタノールよりも側副組織損傷が少なく、適切な上皮細胞アブレーションを提供します(図4)。ヒト患者の臨床評価のための切除液の最適なパラメーターを確立するには、アブレーション溶液ごとに適切なパワードのグループサイズと時間制限のある組織収集を使用して、この手順を使用した縦断的研究が必要になります。
記載されているすべての実験は、ミシガン州立大学の施設動物管理および使用委員会によって承認されたプロトコルに基づいて実施されました。ウサギ(Oryctolagus cuniculus)は、実験動物の世話と使用に関するガイドとUSDA動物福祉法に従って、AAALAC認定施設で世話をしました。
注:この方法は、商業的供給源から入手した年齢(4か月から>1歳)および体重(2.6〜4.2 kg)の範囲の処女(未経産)および引退したブリーダー(経産)ニュージーランドの白い動物で実施されました。私たちの経験では、乳首のサイズを予測するには、体重によって決定される動物のサイズは、動物の年齢よりも信頼性が高くなります。一般に、体重が3.3kgを超える動物は、カニューレ挿入に適した乳首を持っています。以下に説明するプロトコルは、長期的な有効性、創傷治癒、毒性、および安全性の研究により適しているため、生後4〜5か月、体重が3.3 kgを超える処女動物に焦点を当てています。
1. 術前の準備
2.管内注入
3. 透視イメージング
4. 術後のケアと回復
5. 組織分析
雌ウサギの8つの乳腺のそれぞれには、独立した乳頭開口部で開く4つの乳管ツリーがあります(図2)。げっ歯類間の乳腺あたりの管の木のサイズと数の違い(乳腺あたり1つの管のみ)により、ウサギは人間の翻訳のための優れた中間モデルです。最大400 μLの10〜70%EtOH溶液を注入して、生後4か月のニュージーランド白ウサギの乳腺の乳管ツリー全体を満たすことができます(図1、図2、図3、図4 4、8、9)。最大8つの乳腺にある最大4本の乳管樹に、1回のセッションでアブレーション溶液を注入することができます。典型的な実験計画は、最大4つの乳腺の1つの乳腺内の2〜3個の乳管ツリーに、ヨウ素ベースのX線造影剤を含む特定のアブレーション溶液を注入することで構成されます(図2、 図3)。イオヘキソール含有(ヨウ素90〜300 mg/mL)アブレーション溶液の場合、各注入中および/または注入後に透視検査を実施し、各管木に部分的または全量の注入溶液を注入することの個々の成功を判断します(図2、図3)。乳腺組織の収集により、製剤の変化が乳腺上皮細胞の破壊にどのように影響するかを評価できます(図4)。これらの画像解析は、周囲の組織の損傷を最小限に抑えながら、最大のアブレーションを達成するための最適なソリューションを理解するための情報を提供します。10%EtOH溶液は、より高い割合のEtOHを含むアブレーション溶液と同等のアブレーション率を提供することを決定しました(図4)。

図1:管内処置のワークフロー。 ID 手順の主要な手順が強調表示されます。詳しくは動画をご覧ください。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:管内カニューレ挿入と注入の主要なステップ。 (A)カニューレ挿入のための管開口部を拡張するために、乳頭に垂直に生理食塩水を注入します(正中面図)。(B)管樹(D1)のカニューレ挿入と充填は、アブレーション溶液中の青色色素で追跡できます(正中平面図)。(C)リアルタイム透視イメージングは、アブレーション溶液中のイオヘキソールによる管の木の充填(D1)の正確で高解像度のモニタリングを提供します(背面図)。ダクトツリーの開口部には、左から右に番号が付けられ、上象限(D1、左上象限)から始まり、下象限(D4、右下象限)で終わります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:乳頭のサイズと、複数のダクトへのアブレーション溶液の正常な送達。 ニュージーランドの白ウサギにおける乳頭サイズの典型的な提示。乳首のサイズはウサギの体重と年齢によって異なります。乳腺は、左上(L1、左頸部)から右下(R8、右鼠径部)まで番号が付けられています。すべての画像は背面に表示されます。(A)2.8 kgの処女ウサギ(上)は乳首が小さく、カニューレ挿入が困難で、3.5 kgの処女ウサギ(中央)はカニューレ挿入に適した乳首があり、4.1 kgの経産ウサギ(下)は乳首が大きく、カニューレ挿入がはるかに簡単です。(B)注入された溶液中の青い食品の色は、管内送達および管内樹木充填の in vivo 証拠として使用できます。注入の失敗は赤い輪郭 (脂肪パッド送達、上部) で示され、注入の成功は青い輪郭 (管内送達、中央と下部) で示されます。70% EtOH 溶液は、10% 溶液 (水色、下部パネル) と比較して、注入後数分 (濃い青、中央のパネル) に皮膚への損傷 (紅斑) が大きくなります。(C)透視法は、管内送達の in vivo 証拠を提供します。注入の失敗(脂肪パッドの送達、トップパネル)。D1 管 1 番目と D2 管ツリー 2 番目の連続注入の成功 (左下パネル)。ライブ透視法は、D3 管木 (右下パネル) の充填 (白い矢印) のための画像ガイダンスを提供します。イオヘキソール含有切除液で満たされた延長線と乳首を保持するための鉗子も見えます。スケールバーは、異なる倍率の画像で1cmに相当します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:エタノールベースのアブレーション溶液による管内処置後のニュージーランド白ウサギの乳腺の組織分析。 (A-B)10%EtOHアブレーション処理を受けた別の動物の右鼠径乳腺と比較して、アブレーション処理を行わない生後4か月の動物の右鼠径乳腺の代表的なH&E染色。組織スライスは正中面に沿って切断されるため、D1 と D3 (左管ツリー) は同じ組織切片に表されます。全組織ビュー(A)および高倍率ビュー(B)は、H&E染色に対するEtOHアブレーションの形態学的および色的効果(上のパネル)を示し、コンピューター支援トレーニングされた分類器(下のパネル)に基づいて推定された上皮細胞および間質細胞クラスを示します。黒のスケールバーは A の1mmに相当し、白のスケールバーは Bの100μmに相当します。(C)グラフバーは、異なる濃度のEtOHで処理された、または未処理のままにした乳管ツリー(グループあたりn>4)の細胞クラス分布を表示します。アスタリスクは、10%EtOH処理群の一致する細胞クラス(* <0.05、**<0.01、****<0.0001)と比較して、グループごとの各細胞クラスの対応のないウェルチのt検定のp値を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
著者らは開示するものは何もない。
このプロトコルは、ウサギ乳腺の乳管樹系への画像誘導注入の手順を提示します。X線造影剤を含むエタノールベースのアブレーション溶液を、透視リアルタイムイメージングにより、すべての乳頭開口部に制御注入することを実証します。
この研究は、国立がん研究所 R01 の LFS への助成金によって部分的に支援CA258314されました。画像システムと技術的専門知識を使用したMSU獣医医療センター(ルーク・シペルダとスーザン・ロッサー)、技術支援を提供してくれたMSUキャンパス動物リソース(レベッカ・ウィンゲット)、そして技術支援を提供してくれたMSUプレシジョンヘルスプログラム組織分析コア施設とMSU定量的バイオ元素分析およびマッピング(QBEAM)センターに感謝します。
| ライトとクランプ付き10倍虫眼鏡、大型グースネック | アマゾン | B0D982JCZ2 | 乳頭の可視化用 |
| Exel International インスリン注射器 | フィッシャーサイエンティフィック | 14-841-31 | 生理食塩水の管周囲注射用 |
| バルク鈍針ゲージ27長さ0.5 | SAI輸液技術 | B27-50 100 バルク | 管内カニューレ挿入用 |
| エバンスブルー | シグマ | E2129-50G | 乳腺の可視化用 |
| 透視X線イメージングシステム | GEヘルスケア | DT-C31-01 | 蛍光鏡画像取得用 |
| ホットドッグ動物用加温ブランケット | ホットドッグ | WC71V | 管内処置/術前準備用 |
| 男女延長線、長さ12インチ | SAI輸液技術 | EXT-12 | 管内処置用 |
| オムニパック 500 mL (350 mg ヨウ素/mL) | GEヘルスケア | 0407-1414-72 | X線可視化用造影剤(透視) |
| 滅菌ブルーの食品着色料 | マコーミック | 930641 | 乳腺の可視化用 |
| 滅菌リン酸緩衝生理食塩水(PBS) | サーモフィッシャー | 14190250 | 溶液調製用 |
| 注射 器 | BDの | 309659 | 管内注入用 |
| Vゲル | Docsinnovent | D30001 - 30006 | 挿管用(カタログ番号はV-gelのサイズによって異なります) |
| ケトプロフェン | コベトラス | #005488 | 鎮痛用 |
| ケタミン | コベトラス | 71069 | 鎮痛用 |
| 局所リドカイン | コバータス | 70859 | 鎮痛用 |
| キシラジン | コベトラス | 80907 | 麻酔用 |
| エウタソル | コベトラス | #009444 | 安楽死の場合 |
| 目の潤滑剤 | コベトラス | 75848 | 麻酔用 |
| アチパメゾール | コベトラス | 82124 | 麻酔用 |
| バナナチップ | バイオサーブ | #F7161 | 順応のために |
| フューリティジェム | バイオサーブ | #F5136-1 | 順応のために |
| ヨーグルトドロップ | バイオサーブ | #F7200-1 | 順応のために |